Bateria usando lata de aluminio e Ar

Esse post traz alguns links que descrevem a construção de uma bateria usando alumínio metálico e oxigênio do Ar como pares redox para a geração de energia elétrica. Esse é um experimento didático, usando reagentes seguros, ou uma forma de geração de energia alternativa.

Experimento didático

Esse é um exemplo de uma célula eletroquímica primária não recarregável. O experimento está descrito na atividade de sala número 93 do Journal of Chemical Education. No entanto, somente poderão ter acesso ao documento aqueles que tiverem a assinatura da revista (normalmente universidades). Felizmente, nesse outro link há uma descrição detalhada da montagem do experimento com fotos.

Materiais e reagentes:

• Folha de alumínio de uso doméstico
  
• Carvão ativo em pó
• Papel toalha de uso doméstico
  
• Água de torneira
• Sal de cozinha (cloreto de sódio)
  
• Fio metálico de cobre ou clips de papel para os contatos elétricos
  
• Multímetro para medir potencial elétrico
• Uma diodo emissor de luz (LED) ou um pequeno motor elétrico de baixa voltagem
  

O papel toalha serve como membrana separadora das duas semi-celas. O carvão ativo promove a adsorção do oxigênio por possuir elevada área superficial. Um dos contatos elétricos é obtido diretamente da folha de alumínio e o outro usando um fio de cobre em contato com o carvão encharcado do eletrólito aquoso de cloreto de sódio. O papel toalha embebido com o eletrólito faz a função da ponte salina.

Na Wikipédia podemos encontrar o texto Aluminium Battery dando mais informações e aplicações já feitas dessa bateria. Os potenciais de oxi-redução foram extraídos da lista das séries eletroquímicas contra o eletrodo padrão de hidrogênio.

Anodo: Al⁰_(s) + 3OH⁻_(aq) → Al(OH)_3(aq) + 3e⁻ (E_oxi=+2,33V)
Cátodo: O_2(g) + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻_(aq) (E_red=+0,40V)
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
Total: 4Al⁰_(s) + 3O_2(g) + 6H₂O → 4Al(OH)_3(aq) (E=+2,71V)

Para testar pode-se usar o LED ou o motor elétrico. Atenção pois o LED possui polaridade. O multímetro, operando no modo de voltímetro, serve para medir o quanto a bateria pode fornecer de potencial elétrico. Tendo somente o multímetro já é suficiente.

Como podemos ver, a reação é favorecida em meio básico. Na prática, pode-se alcançar algo perto de 1,2V usando hidróxido de potássio como eletrólito. Usando cloreto de sódio o potencial fica em torno de 0,7V.

A eficiência ficará em função do carvão (área superficial) e seu contato com o Ar, da membrana separadora, da área superficial do eletrodo metálico que faz contato com a superfície do carvão, pH do eletrólito, temperatura, força iônica, impurezas, etc.

Há este vídeo mostrando como fazer dentro de um laboratório.

Implementação usando latas de alumínio

Uma implementação mais interessante é usando latas de alumínio com descrito nesse Instructable. Essa é a implementação que irá chamar mais a atenção dos alunos. Para aumentar o potencial basta colocar as baterias em série. Caso queria aumentar a corrente, coloque-as em paralelo. Cuidado para não efetuar um curto-circuito entre o fio e a borda da lata.

Há este outro vídeo de um rapaz que fez uma bateria em sua casa. Apesar de ter uma linguagem informal ele mostra bem que qualquer um pode fazer em casa.

Eficiência

Alguns dizem que essa bateria pode alcançar 1V e fornecer até 100mA. Um melhor aproveitamento da carga da bateria pode ser alcançado usando um circuito eletrônico chamado de joule-thief. Ele drena corrente de uma bateria para manter a tensão na saída constante. No nosso caso, podemos fazer um Joule-Thief com componentes eletrônicos baratos como descrito nesse link. O mais simples de montar, que já montei, encontra-se nesse link. O transistor equivalente ao PN2222, que é usado nesse projeto, é o 2N2222.

Questão energética

Então, a solução para as latas de alumínio seria a construção de baterias para geração de energia elétrica? Na verdade, não. Há a questão do balanço energético. O óxido de alumínio é o produto mais estável e encontrado na natureza. Para a geração de alumínio metálico gasta-se muita energia na forma de calor e eletricidade para converter Al³⁺ em Al⁰.

Dependendo do local da instalação, o custo com energia elétrica fica entre 20 e 40% do custo total da produção. Gasta-se, aproximadamente, 14.000kWh por tonelada de alumínio. Já na reciclagem gasta-se 700kWh por tonelada de alumínio reciclado. Tipicamente, 5% da energia usada na produção é usada na reciclagem. No entanto, 15% do material é perdido na forma de metal impuro que bóia durante a fundição. Portanto, para grandes produções é um disperdício gerar energia elétrica usando baterias de alumínio-Ar.

Referências

Journal Chemical Education, Classroom activity #93, Aluminum–Air Battery
http://jchemed.chem.wisc.edu/journal/Issues/2007/Dec/abs1936A.html

Aluminum Air Battery – Foiled again
http://www.exo.net/~pauld/activities/AlAirBattery/alairbattery.html

Aluminium battery
http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_battery

Standard electrode potential (data page)
http://en.wikipedia.org/wiki/Electrochemical_series

Eco Gadgets: DIY battery made from recycled aluminum can
http://www.ecofriend.org/entry/eco-gadgets-diy-battery-made-from-recycled-aluminum-can/

Instructables – Aluminum Can, Saltwater and Charcoal Battery
http://www.instructables.com/id/Aluminum-Can-Saltwater-and-Charcoal-Battery/

Bateria de Alumínio-Ar de 2 elementos / Al-air battery, 2 cells
http://www.youtube.com/watch?v=sfgN-arBlu4

How to build a MacGyver Air-Aluminium battery with soda can
http://www.youtube.com/watch?v=yA6Jde77UNc

Aluminium/air Batteries
http://www.ectechnic.co.uk/ALUMAIR.HTML

Alumínio – Al
http://www.mspc.eng.br/quim1/quim1_013.shtml

Joule Thief - Boost circuit kit
http://www.joulethief.com/kit.php

Make a Joule Thief
http://blog.makezine.com/archive/2007/11/make_a_joule_thief_weeken_1.html

Geber - o pai da Química

A química, essa ciência que conhecemos hoje, veio de uma evolução da Alquimia. Para efeitos históricos, precisamos de um marco, algo que defina um ponto de transição. Para alguns, a Química surge com Boyler. Para outros, Lavoisier. Para outros ainda, a Química nasce com Geber.

Abu Musa Jābir ibn Hayyān ou Jabir ou Geber (nome latinizado) nasceu em 721 D.C. (Tus, Iran) e morreu em 821 D.C. (Kufa). Algumas fontes dizem que ele era persa e outras, árabe. Foi químico e alquimista, astrólogo e astrônomo, geólogo, farmacêutico, físico e fisiologista. Essas duas últimas áreas correspondem ao período do Islã medieval. Foi um alquimista prático e sistemático e deu muitas contribuições que ainda são usada até hoje pelos químicos.

O método sistemático

Graças ao seu experimentalismo sistemático, ele ajudou os alquimistas a se livrarem do misticismo e superstições envolvidos nos processos alquímicos. São de Geber as seguintes palavras:

"A coisa primordial na alquimia é que se pode realizar trabalhos prático e conduzir experiências. Quem não faz trabalhos práticos nem faz experiências nunca dominará a alquimia."

É importante lembrar que ele fazia parte de uma escola, isto é, de uma linha de pensamento da época. A partir desse ponto a Química surge como ciência e a Alquimia toma o posto de protociência.

Nota 1: Protociência é a ciência que tem experimentação e reprodutibilidade mas sem um método científico. No caso, a Química (ciência) derivou da Alquimia (protociência). Pseudociência é a ciência que tem experimentação e não há reprodutibilidade mas possui um método científico. Um exemplo é a Astronomia (ciência) que derivou da Astrologia (pseudociência).

Nota 2: Alquimia vem do francês arcaico alquemie, que vem do árabe al-kimie que significa "A arte da transformação". Assim, Química vem de kimie que significa "transformação".

A respeito do título de pai da química, outros dizem que foi o irlandês Robert Boyle (25 de janeiro de 1627 - 30 de janeiro de 1691) com a publicação do livro The Ceptical chymist (obra disponibilizada aqui pelo projeto Gutenber) publicado em Londres em 1661 que entre outros assuntos fala da teoria da colisão atômica e defende o rigor na experimentação científica. Outros ainda dizem que foi o francês Antonie Lavoisier (26 de agosto de 1743 - 8 de maio de 1794) com a publicação do livro Traité Élémentaire de Chimie (Elementary Treatise on Chemistry), 1789. Esse é considerado o primeiro livro moderno de química. Nele Lavoisier apresenta a teoria da conservação das massas e abandona a idéia do flogisto.

Geber também acreditava na idéia das proporções entre os reagentes.

Os instrumentos

À ele é dado o crédito de alguns instrumentos usados até hoje pelos químicos. Entre eles o alambique, do árabe al-inbiq, que veio do grego ambix e que significa copo. Foi o instrumento de destilação dos alquimistas e de químicos. Basicamente, são dois retortos (condensador primitivo visto em muitas ilustrações) conectados. Tecnicamente, alambique é somente a parte superior mas é comumente usado para designar todo o aparto de destilação. A versão moderna é chamada de Still usado nas destilarias.

Com o alambique, Geber extraiu o espírito do vinho e chamou-o de al-kohl que passou a se chamar álcool. Al-khol era o termo usado para obter algo por sublimação. Também era um pó fino a base de antimônio que era usado no Egito antigo com finalidades estéticas pelas mulheres. O termo foi usado posteriormente também para o processo de destilação.

Nota: Usarei a palavra espírito no texto por questão histórica mas tendo bem claro que se refere a algo que está na forma de vapor, gás e etc.

Nota: O al que aparece na frente de muitas palavras árabes é um tipo de artigo como o The no inglês. Na verdade é a letra a. A letra l é usada para harmonizar a fonética.

Substâncias e elementos descobertas

A importância dele cresce com a lista de substâncias químicas que ele isolou. Ele descobriu o vitriol (ácido sulfúrico) pela destilação seca do sulfato de ferro II heptahidratado ou do sulfato de cobre pentahidratado. Na decomposição térmica gerava-se os óxidos dos metais, vapor d'água e o tróxido de enxofre. Os dois últimos eram recolhidos e formam o ácido sulfúrico. Na Europa medieval o vitriol era conhecido entre os alquimistas como óleo de vitriol, espírito do vitriol ou simplesmente vitriol. Existiam diferentes tipos de vitriol dependendo do tipo de cristal de sulfato: vitriol azul ou romano (de cobre II), vitriol branco (de zinco), vitriol verde (de ferro II), vitriol de Marte (ferro III) e vitriol vermelho (de cobalto).

Ele descobriu o ácido clorídrico destilando o vitriol (ácido sulfúrico) com sal comum (cloreto de sódio). Descobriu o ácido nítrico destilando ácido sulfúrico com sal a base de nitrato de sódio ou potássio (fontes: niter ou nitre, saltpetre, saltpeter). Da mistura de ácido clorídrico e ácido nítrico criou a água régia que tinha o poder de dissolver o ouro. Essa última teve grande importância na purificação de minerais.

Também foi dado a ele o crédito de ter descoberto o ácido cítrico (extraído do sumo das frutas cítricas), ácido acético (do vinagre) e ácido tartárico (do vinho) usando sua aparelhagem como o alambique.

Alguns elementos químicos também foram descoberto por ele como o Arsênio, Antimônio e Bismuto. Ele também foi o primeiro a isolar, purificar e classificar o de enxofre e o mercúrio líquido com elementos puros.

Ele propôs uma classificação em três categorias: espíritos, metais e não maleáveis (corpo ou mineral).

• Espíritos: arsênio, cânfora, mercúrio, enxofre, sal amoniacal e cloreto de amônio.
• Metais: ouro, prata, chumbo, estanho, cobre, ferro e khar-sini (mercúrio na forma de espírito ou vapor).
• Não Maleáveis: Qualquer coisa que possa ser transformada em pó: alguns espíritos extraídos de algumas pedras, rochas ou minérios como malaquita, lápis azúlis, turquesa, mica, etc. Outras com pouco espírito como conchas, pérolas e vitriol e outras ainda sem espírito como onix, poeira e vitriol envelhecido.
  

Conclusões

Com certeza, a química que conhecemos hoje deve muito a esse alquimista/químico. Pouco ou nada de fala dele nos cursos de química e nos livros didáticos. Muitos termos são usado hoje que vem de suas contribuições e origem. Para os dias de hoje, saber a origem das coisas é mais cultural do que prático. No entanto, acredito, história é tão importante quanto a prática. As coisas não surgiram do nada e tem uma origem. Conhecendo suas origem compreenderemos melhor o que estamos fazendo.

Estou certo que esse texto será útil para os leitores como foi para mim durante o seu desenvolvimento. Estou aprendendo muito nessa minha investigação história descompromissada. Com certeza aparecerão ponto duvidosos e outros discordantes. No entanto, o texto tem seu valor por trazer à luz pontos antes esquecidos ou colocados em um plano de menor importância.

Referências

O segredo da boa pinga
http://www.fundep.br/homepage/cases/435.asp
Foto de dois alambiques.

Benefícios da utilização do cobre
http://www.copper-alembic.com/manufacturing/cobre.php?lang=pt
Fala das propriedades antibactericidas, boa condutividade térmica e benefícios na produção de bebidas fermentadas.

Al-Kimia
http://dererummundi.blogspot.com/2007/05/al-kimya.html

Árabe se escreve com "a"
http://www.sualingua.com.br/02/02_arabe.htm
http://mundoestranho.abril.com.br/cultura/pergunta_285881.shtml

Development of the Periodic Chart

http://homepage.mac.com/dtrapp/periodic.f/alchemy.html

International Space Station Tour

Fico imaginando como é trabalhar na ISS (Estação Espacial Internacional) e realizar um trabalho científico no espaço. Seria como no filme 2001: uma odisseia no espaço?

Trabalho com instrumentação voltada para a química e tenho particular interesse em instrumentos diversos e como eles foram desenvolvidos. Estudando as implementações já feitas adquiro novas idéias para as minhas implementações.

Os links dos vídeos que apresento aqui são de uma visita por dentro da ISS feita pelo astronauta Mike Fincke em 21 de janeiro de 2009 para a NASA TV. Esse vídeo é muito interessante pois mostra os laboratórios dentro da ISS e a rotina dos astronautas. Podemos ver detalhes dos compartimentos segmentados para os instrumentos, sistemas de refrigeração dos equipamentos, questão do espaço físico usado, área de estocagem, fixação dos computadores e etc.

Quem é químico verá química nesse documentário: estocagem de água potável, detritos líquidos e orgânicos, reciclagem, qualidade do ar, etc.

Boa diversão.

Part I (9:52min)
http://www.youtube.com/watch?v=JgBgmw-2U8c
Part II (9:57min)
http://www.youtube.com/watch?v=F-yIqxoMBVU
Part III (9:52min)
http://www.youtube.com/watch?v=srQdr6kGii4
Part IV (6:45min)
http://www.youtube.com/watch?v=lswCuvcA7YQ