Uma célula galvânica é um tipo de célula eletroquímica que converte energia química em energia elétrica por meio de uma reação redox espontânea. Este dispositivo é composto por dois eletrodos de metais diferentes, imersos em soluções eletrolíticas separadas e conectados através de uma ponte salina ou um disco poroso, permitindo o fluxo de íons e mantendo o equilíbrio de cargas. Seu nome homenageia Luigi Galvani, cujos experimentos com eletricidade e tecidos biológicos foram fundamentais para o desenvolvimento da eletroquímica.
O termo pilha voltaica às vezes é usado de forma intercambiável. Entretanto, a pilha voltaica é um tipo de célula galvânica. Este foi projetado por Alessandro Volta e é um dispositivo precursor baseado no mesmo princípio eletroquímico. Sua invenção representou um grande avanço ao fornecer a primeira fonte de corrente elétrica direta.
Partes de uma célula galvânica
Antes de explicar como funciona uma célula galvânica, precisamos conhecer um pouco sobre suas partes:
Aqui está uma descrição detalhada de cada parte de uma célula galvânica:
Ânodo
O ânodo é o eletrodo onde ocorre a oxidação, ou seja, a perda de elétrons.
Em uma célula galvânica, o ânodo atua como polo negativo, pois os elétrons são liberados dele e viajam através do circuito externo até o cátodo. Normalmente, o ânodo é feito de um metal mais reativo que tende a perder elétrons facilmente, como o zinco na célula de Daniell.
À medida que a reação prossegue, os átomos do ânodo se dissolvem na solução como íons.
Cátodo
O cátodo é o eletrodo onde ocorre a redução, ou seja, o ganho de elétrons. É o polo positivo porque atrai elétrons vindos do ânodo. Neste eletrodo, os íons da solução se combinam com os elétrons que chegam pelo circuito externo, formando átomos ou moléculas neutras.
No caso da pilha de Daniell, o cátodo é feito de cobre, e íons de cobre em solução são depositados em sua superfície, aceitando elétrons.
Eletrólito
O eletrólito é a solução iônica na qual os eletrodos são imersos e que permite a movimentação dos íons para manter o equilíbrio de cargas na célula.
Esta solução é composta de sais, ácidos ou bases dissolvidos que facilitam a condução iônica.
Na célula de Daniell, a solução de sulfato de zinco (
) envolve o ânodo, enquanto a solução de sulfato de cobre (
) envolve o cátodo.
Ponte salina ou membrana porosa
A ponte salina é um tubo ou membrana preenchida com uma solução de sais inertes, como cloreto de potássio (
) ou sulfato de sódio (
), que permite a circulação de íons entre as soluções de eletrodos. Sua função é evitar o acúmulo de carga elétrica em cada meia célula e manter a neutralidade elétrica na célula. Sem a ponte salina, a reação pararia rapidamente devido à separação de cargas.
Circuito externo
É o caminho condutor através do qual os elétrons se movem do ânodo para o cátodo. Este circuito pode ser composto por cabos metálicos e elementos como resistores, lâmpadas ou motores que utilizam a energia elétrica gerada. Nesse caminho, a corrente flui no sentido oposto ao fluxo de elétrons, do cátodo para o ânodo, de acordo com a convenção da corrente elétrica.
Como funciona uma célula galvânica?
Uma célula galvânica funciona por meio de uma reação de oxidação-redução (redox) que converte energia química em energia elétrica.
Esta célula consiste em dois eletrodos, o ânodo e o cátodo , imersos em soluções eletrolíticas. No ânodo, ocorre a oxidação , onde um metal perde elétrons e se dissolve no eletrólito como íons . Esses elétrons viajam por um circuito externo até o cátodo, onde ocorre a redução , ou seja, os elétrons são capturados pelos íons metálicos do eletrólito, transformando-os em átomos do metal correspondente.
O fluxo de elétrons através do circuito externo é o que gera uma corrente elétrica, que pode ser usada para alimentar dispositivos. Para que o circuito interno da célula fique completo, os íons se movem entre os dois eletrodos através de uma ponte salina ou septo poroso , permitindo que o equilíbrio de carga seja mantido nas soluções.
Assim, a energia química armazenada nos eletrodos é continuamente convertida em energia elétrica enquanto a reação redox durar e houver materiais disponíveis para reagir.
Relação com eletrólise
O processo inverso de uma célula galvânica é a eletrólise, onde uma corrente externa força uma reação não espontânea. Em ambos os casos, o fluxo de elétrons ocorre através do circuito externo, enquanto os íons positivos fluem para o eletrólito, completando o circuito elétrico.
Em resumo, em uma célula galvânica, os elétrons se movem do ânodo (onde ocorre a oxidação) para o cátodo (onde ocorre a redução), gerando uma corrente elétrica a partir de uma reação química de oxidação-redução (redox). Este princípio é a base para o funcionamento de baterias usadas em muitos dispositivos eletrônicos.
A pilha voltaica
A célula voltaica é um tipo específico de célula galvânica, inventada por Alessandro Volta, que usa o mesmo princípio de conversão de energia química em elétrica, mas com uma estrutura definida. Em vez de usar um único eletrólito, a célula voltaica usa dois metais diferentes, como zinco e cobre, imersos em soluções eletrolíticas separadas.
O fluxo de elétrons entre os dois eletrodos, através de um condutor externo, gera uma corrente elétrica constante.
A principal diferença entre a célula voltaica e outras células galvânicas está em seu design e em sua capacidade de gerar uma fonte estável de energia elétrica. A pilha voltaica foi a primeira a fornecer uma fonte contínua de eletricidade, permitindo avanços na tecnologia elétrica e pesquisas iniciais sobre baterias.
Tipos de células
Distinguimos três tipos de células galvânicas:
Célula de concentração
Uma célula de concentração é uma célula primária (não recarregável) que usa duas meias células galvânicas com as mesmas espécies químicas, mas com concentrações diferentes.
Por exemplo, tal célula pode consistir em dois eletrodos de cobre imersos em duas soluções contendo sulfato de cobre (
). As duas soluções têm concentrações diferentes e os eletrodos são separados por uma partição porosa ou uma ponte salina.
A bateria descarregará quando a concentração de eletrólito nas duas meias células for a mesma.
Célula eletrolítica
Uma célula eletrolítica consiste em dois eletrodos imersos em um tanque contendo um eletrólito. Geralmente, o eletrólito consiste em duas soluções eletrolíticas que podem trocar íons através de uma ponte salina ou de um septo poroso.
Uma reação de oxidação ocorre no ânodo. Por outro lado, uma reação de redução ocorre no cátodo. O resultado é que ocorre uma reação redox na célula que usa energia elétrica externa para produzi-la.
Os sinais dos polos são invertidos em relação a uma célula galvânica. Em uma célula eletrolítica, o ânodo é o polo positivo, enquanto o cátodo é o polo negativo.
Célula eletroquímica
Baterias eletroquímicas são compostas de dois semi-elementos, também chamados de meias-células.
Esses semielementos são mantidos separados por uma membrana semipermeável ou estão contidos em recipientes separados conectados por uma ponte salina. Quando semielementos se conectam, um semielemento libera elétrons através da reação de oxidação. Por sua vez, esses elétrons são transferidos para o outro para dar origem à reação de redução.