18.9 Quando uma bateria de chumbo se descarrega, sua tensão cai lentamente, mas, como na descarga da célula de níquel-cádmio, sua tensão permanece praticamente constante. Explique.
Passo 1
O enunciado pede para explicarmos por que, durante a descarga de uma bateria de chumbo-ácido, a tensão cai muito lentamente e permanece praticamente constante até o fim, de modo análogo ao que ocorre na descarga da célula de níquel-cádmio. O conteúdo relevante aqui é eletroquímica de células primárias e secundárias, em particular o uso da equação de Nernst para entender como a força eletromotriz (fem) varia com o “grau de descarga”.
Passo 2
Escrevemos as semi-reações da bateria de chumbo-ácido em ambiente ácido (ânodo e cátodo):
Ânodo (oxidação do chumbo metálico):
Ânodo (oxidação do chumbo metálico):
Cátodo (redução do dióxido de chumbo):
Passo 3
Somando as duas semi-reações obtemos a reação global:
Como todos os reagentes e produtos em fase sólida não entram no quociente de reação
, este fica restrito ao
:
Passo 4
Pela equação de Nernst, a força eletromotriz da célula é
Aqui
. Como a descarga consome íons
e ácido, o valor de
muda muito pouco até quase o esgotamento do reagente, de modo que o termo
varia pouco. Logo,
permanece praticamente constante durante a maior parte da descarga. Apenas no final, quando o ácido se esgota,
cai fortemente e
decai rapidamente.
Passo 5
O mesmo raciocínio vale para a célula de níquel-cádmio: os eletródios são materiais sólidos cujas concentrações efetivas não aparecem no quociente de reação (ou mudam muito pouco), de modo que a tensão permanece em um platô constante até o fim da descarga.
Resposta
A tensão se mantêm quase constante porque, segundo a equação de Nernst, a fem da célula depende principalmente da concentração de espécies em solução; nas baterias de chumbo-ácido (e de níquel-cádmio) os reagentes principais são sólidos cujos potenciais eletrodos variam pouco com o grau de descarga, de modo que a tensão sofre apenas uma pequena queda até quase o término da reação.