Uma Importante Invenção
(feita com: Metais, Papelão, Salmoura e Sagacidade)

 

C. M. V. B. Almeida, S. H. Bonilla,
M. C. Ferreroni e B. F. Giannetti

(Laboratório de Físico-Química Teórica e Aplicada
Inst. de Ciências Exatas e Tecnologia da Univ. Paulista
R. Dr. Bacelar 1212, CEP 04026-002, S. Paulo, Brasil.
E-mail: biafgian@unip-objetivo.br)

 

Com placas metálicas, discos de papelão, salmoura e sagacidade, em 1799, surgiu uma das maiores invenções do mundo moderno: a pilha elétrica de Volta. Por este motivo, o ano de 1999 tem um significado especial para a ciência como um todo e para a eletroquímica em particular. O bicentenário da invenção de Alessandro Volta deu ensejo para que o presente artigo fosse escrito, relembrando alguns dos fatos históricos envolvidos na invenção da pilha e no desenvolvimento da eletroquímica.

 

As duas cidades de Volta: Camnago e Pávia

 

Alessandro Volta nasceu em 1745 em Camnago (Como), atualmente chamada de Camnago Volta, e morreu na mesma cidade em 1827. Volta realizou seus primeiros estudos e suas primeiras invenções em sua cidade natal, onde aos 29 anos foi indicado como diretor das escolas públicas. Entretanto, o nome deste cientista e sua produção científica estão indissoluvelmente ligados à Universidade de Pávia. Volta começou a ensinar física experimental em Pávia em 1779 e em 1785 foi eleito reitor da Universidade. Mesmo no final de sua vida, ele era ainda diretor da Faculdade de Física.

 

O começo: Galvani e Volta

 

Na segunda metade do século XVIII, difundiu-se a idéia da existência de uma "eletricidade animal", a partir de uma série de observações simples feitas por muitos naturalistas. Sabia-se, por exemplo, que certos animais, como a enguia, eram capazes de dar choques quando tocados, os quais eram similares aos efeitos de outros choques elétricos. Em uma série de experimentos iniciados no ano de 1780, Luigi Galvani (1737-1798) descobriu que os músculos e nervos na perna de um sapo sofriam uma contração ou espasmo causados pela corrente elétrica liberada por um gerador eletrostático. A contração muscular também aparecia quando o músculo era colocado em contato com dois metais diferentes, sem que houvesse aplicação de eletricidade externa. Galvani chegou à conclusão que certos tecidos orgânicos geravam eletricidade por si próprios. Para ele estava claro que os músculos do sapo eram capazes de gerar "eletricidade animal", que ele julgou ser similar à eletricidade gerada por máquinas ou por raios.

Alessandro Volta repetindo os experimentos de Galvani na Universidade de Pávia, obteve os mesmos resultados. Entretanto, não estava convencido da explicação dada por Galvani e uma longa controvérsia foi iniciada. Volta logo concluiu que a eletricidade observada deveria ter origens mais simples, e que o tecido animal apenas conectava, inadvertidamente, os dois metais. Desta forma, o tecido orgânico atuava como um eletroscópio extremamente sensível, que permitia detectar uma corrente mais fraca que outras que tivessem sido estudadas com o emprego dos aparelhos disponíveis na época.

 

Volta construiu a primeira bateria, que consistia de dois pedaços de metal distintos (zinco e prata), separados por discos de papelão umedecidos com uma solução salina e ligados em série. Esta montagem foi chamada de célula galvânica e a combinação destas células formava uma bateria, cuja potência dependia do número de células que estavam conectadas. Esta é a base de todas as baterias de célula úmida modernas, e foi uma descoberta científica enormemente importante, porque foi o primeiro método encontrado para a geração de uma corrente elétrica contínua. Ainda em 1799, Volta conseguiu aumentar a corrente com a utilização de cobre, zinco e papelão.

 

O debate entre Galvani e Volta foi um dos mais proveitosos episódios na história da ciência. Volta generosamente denominou a corrente observada de corrente galvânica, e escreveu que o trabalho de Galvani "se trata de uma das mais belas e mais surpreendentes descobertas".

 

A pilha de Volta: uma das grandes invenções do gênio humano

 

A invenção da pilha foi comunicada, por Volta, à Royal Society of London na hoje famosa carta de 20 de março de 1800. Entretanto, está bem documentado que a invenção ocorreu no final de 1799, que foi universalmente reconhecido como o ano de nascimento da eletroquímica. O primeiro centenário da invenção foi celebrado em 1899 em Como, com uma grande exposição que reservava grande espaço à indústria da época e aos primeiros passos da eletromecânica e das telecomunicações. A importância da descoberta foi sublinhada pelas manifestações a ela dedicadas: "Nesta conquista" - afirmou o cientista Augusto Righi no discurso inaugural do Primeiro Congresso Nacional de Eletricistas (Como, 1899) - "não houve participação do acaso; ela foi o resultado de uma longa série de pesquisas e experiências engenhosas inspiradas em sucessivas deduções lógicas. A descoberta não será exclusivamente objeto de estudo, oferece um meio de pesquisa potentíssimo, fecundo, universal; devido a ela a ciência poderá oferecer ao homem uma energia multiforme, destinada a produzir uma mutação na civilização humana tão profunda, que poderá ser comparada somente ao uso do fogo em tempos remotos"

O impacto da descoberta: o nascimento da eletroquímica

 

Mesmo em sua forma inicial e rudimentar, a bateria de Volta possibilitou algumas descobertas importantes no campo da eletroquímica. Entre os mais significativos avanços nas áreas relacionadas à pilha de Volta se pode citar a procura por fontes de energia eletroquímicas, a bioeletroquímica, devido ao debate entre Galvani e Volta, a eletrodeposição e a contribuição, mesmo que indireta, para o avanço de outras áreas como, por exemplo as telecomunicações. O impacto da descoberta de Alessandro Volta pode ser observado tanto na área acadêmica como em suas aplicações. O entusiasmo e o assombro causado pela novidade da pilha de Volta no mundo científico, é comparável ao ocorrido com o advento do controle da energia nuclear na década de quarenta.

 

O impacto na pesquisa em eletroquímica

 

No mesmo ano da comunicação oficial à Royal Society of London da invenção da pilha, Wiliam Nicholson empregou a bateria recém criada para realizar a decomposição elétrica da água. Alguns meses mais tarde, de forma independente, Johan Wilhelm Ritter também efetuou a eletrólise da água empregando a pilha de Volta. A seguir, foram decompostas soluções de vários sais empregando a energia elétrica proveniente de uma pilha, tais como o isolamento do sódio e do potássio de seus hidróxidos feita por Sir Humphry Davy (1801). Nos anos que se seguiram à construção da primeira pilha, a eletroquímica experimental desenvolveu-se vigorosamente.

 

Ritter foi o primeiro cientista a propor uma explicação química para o funcionamento da pilha. As evidências da natureza química do funcionamento da pilha foram se acumulando em todo o mundo, desde a primeira pilha miniaturizada de Wollaston (pioneiro na microtecnologia eletroquímica). Porém, Volta refutava uma teoria química para explicar a origem da diferença de potencial na pilha. O grande prestígio de Alessandro Volta fez com que a sua explicação, que estava errada, fosse aceita como um postulado. A intuição de um fenômeno e a sua explicação nem sempre andam juntas, porém, este fato não tira a validade de uma descoberta ou invenção.

 

Em 1813, Michael Faraday iniciou a sua brilhante carreira num mundo acadêmico rico em idéias e experiências (pode-se ler neste periódico um artigo que relata a vida deste cientista, o artigo se intitula "Michael Faraday – Nota Histórica", publicado no No. 1, jan-jun 98, pág 43). Faraday realizou pesquisas e elaborou teorias que constituíram os fundamentos da eletroquímica e do eletromagnetismo. Os estudos realizados sobre a eletrólise de soluções de sais, ácidos e bases, serviram para obter as leis básicas da eletrólise (1834), relacionando a ação química produzida pela corrente e a quantidade de eletricidade.

 

O enunciado das leis da estequiometria eletroquímica de Faraday deram suporte às teorias químicas sobre o funcionamento da pilha. Passaram-se 35 anos para que primeira intuição química de Ritter recebesse confirmação definitiva.

 

Como poderá ser visto mais adiante, fatos como este são típicos da historia da eletroquímica: a abordagem cinética teve um hiato de quase quatro décadas e a quântica de, aproximadamente, três décadas. O desenvolvimento do conhecimento científico geralmente ocorre desta forma: uma abordagem teórica tem que aguardar um período de amadurecimento para ser aceita.

 

 

No início deste século, Tafel (1905) obteve empiricamente a relação entre a corrente e o potencial interfacial. A expressão encontrada, denominada de equação de Tafel, é considerada uma das principais leis da eletroquímica, possuindo implicações práticas importantes. As descobertas indicavam um futuro promissor para a eletroquímica com grandes avanços na compreensão da velocidade eletroquímica como função do potencial. Entretanto, o desenvolvimento da cinética eletroquímica teve que aguardar até a segunda metade deste século para ser revalorizada pelos eletroquímicos. Este fato foi devido a que no final do século dezenove as pesquisas se centraram no estudo de sistemas em equilíbrio (termodinâmica eletroquímica), onde a corrente efetiva das células eletroquímicas é nula (condição experimental que não é encontrada, por exemplo, quando os reatores eletroquímicos estão em funcionamento).

 

A termodinâmica eletroquímica teve dois pesquisadores que realizaram contribuições fundamentais nesta área: Gibbs e Nernst. Josiah Willard Gibbs demonstrou (1875) que a possibilidade de uma reação química ocorrer pode ser avaliada pela diferença de potencial em uma célula galvânica. Walther Nernst (1889) estudou sistemas em equilíbrio e relacionou o potencial da célula com a concentração das substâncias químicas utilizadas. Nerst obteve o prêmio Nobel em Química em 1920 pela aplicação da termodinâmica à química.

 

Outra área em eletroquímica que se desenvolveu no final do século dezenove foi a iônica. Svante Arrhenius (1887) explicou a condutância elétrica de soluções em termos de migração de íons e equilíbrio entre íons e moléculas. Em 1903 Arrhenius recebeu o prêmio Nobel em Química por ter iniciado a teoria da ionização. Em 1923, Peter Debye (prêmio Nobel em Química em 1936) e Erich Hückel explicaram a condutância, o potencial eletroquímico e outras propriedades de soluções iônicas. Teve início a investigação da dupla camada elétrica observada na interfase de materiais distintos em contato. A definição da estrutura da dupla camada elétrica é considerada fundamental para explicar os processos eletroquímicos.

 

A cinética eletroquímica teve a contribuição de Butler (1924) ao interpretar o potencial termodinâmico cineticamente. Em 1930 Volmer dá uma formulação teórica sobre a relação da corrente e o potencial. Gurney (1931) introduz a abordagem da química quântica nos processos de transferência de carga. A abordagem quântica feita por Gurney é atacada e deixada de lado. Frumkin, durante a década de trinta e quarenta, explica a relação que há entre a corrente e a estrutura da dupla camada elétrica. Horiuti desenvolve a mecânica estatística das interfases. Eyring formula a relação corrente-potencial em termos de teoria das velocidades absolutas de reação. Na década de 60 a química quântica recebe uma maior atenção por parte dos eletroquímicos sendo revista a abordagem de Gurney.

 

Nestas segunda metade deste século tem ocorrido um avanço significativo na compreensão dos fenômenos eletroquímicos. Sob o ponto de vista teórico e prático, a eletroquímica é considerada atualmente uma ciência multidisciplinar. Para exemplificar a aplicabilidade desta ciência, vale a pena lembrar que desde o impulso dado pela pilha de Volta tem surgido vários métodos de análise eletroquímicos. Entre os métodos eletroanalíticos podem-se citar a titulação condutométrica, potenciométrica, amperométrica e as técnicas polarográficas, entre outras. Por causa da versatilidade, precisão e baixo custo, se comparada a outros métodos de análise instrumentais, as técnicas de eletroanálise são amplamente empregadas em pesquisa e controle de qualidade. Como testemunho da importância de uma destas técnicas analíticas, pode-se citar que a Academia Real Sueca de Ciências escolheu para o Prêmio Nobel em Química (1959) a Heirovský pelo desenvolvimento da polarografia.

 

Os métodos eletroquímicos, além de serem empregados com finalidades analíticas, são empregados largamente em diversos campos da indústria moderna com as mais variadas finalidades: monitoramento e combate à corrosão, geração e armazenamento de energia elétrica, fabricação eletroquímica de substâncias químicas, descontaminação de efluentes, eletro-extração de metais, obtenção de materiais avançados, etc.

 

O impacto tecnológico

Dentre as inúmeras aplicações que são conseqüência direta da descoberta de Volta se pode destacar:

As baterias - O trabalho de John F. Daniell foi uma continuação da pesquisa realizada por Alessandro Volta. A pilha de Daniell era muito mais eficiente e levou o físico francês Gaston Plante à descoberta da bateria de chumbo ácido em 1959, seguida da moderna bateria seca ("dry cell battery") desenvolvida poucos anos depois por outro francês, Georges Leclanché.

 

Atualmente, existem uma grande gama de baterias que têm sido desenvolvidas nas últimas décadas, classificadas em três grupos: baterias primarias, secundárias e células a combustível. As baterias primarias, conhecidas pela denominação de pilhas, são artefatos eletroquímicos que, uma vez esgotados os reagentes que produzem a energia elétrica, são descartados. A diferença essencial entre as baterias primarias e secundárias é que no segundo caso o sistema pode ser regenerado, pelo emprego de uma corrente elétrica que reverte as reações responsáveis pela geração de energia elétrica. Estes sistemas geralmente são chamados de baterias. As células a combustível são conversores de energia química em elétrica, como é o caso das baterias primarias e secundarias. Contudo, neste caso, os reagentes químicos, que são consumidos numa reação de combustão, tem que ser continuamente alimentados ao sistema. As baterias primarias (pilhas alcalinas, por exemplo) e baterias secundárias (bateria chumbo-ácido, níquel-cádmio, níquel-hidreto, lítio, etc.) são empregadas geralmente em equipamentos eletro-eletrônicos portáteis. O uso de sistemas que geram energia química em elétrica não se limita a equipamentos eletro-eletrônicos. As células a combustível tem sido empregadas para gerar energia elétrica nas naves espaciais (por exemplo no ônibus espacial Columbia, com uma potência média de 7 kW). Plantas de energia de células a combustível podem ser encontrados na cidade de Tóquio com potência de 4,5 MW.

A tecnologia de telecomunicação e informação - A descoberta de Alessandro Volta abriu uma multiplicidade de caminhos para o desenvolvimento das telecomunicações. Com as contribuições de Hans C. Oersted (1820), o elo entre magnetismo e eletricidade foi fechado, o que levou diretamente à invenção do eletro-imã. A produção de eletricidade artificial e sua condução apoiada nos princípios do magnetismo, estabeleceram as bases para a transmissão de mensagens por meio de sinais elétricos.

 

A bateria esteve desde o início diretamente nas primeiras invenções nas telecomunicações. O invento do telégrafo elétrico por Samuel Morse (1837) era composto um fio metálico unindo duas estações telegráficas, uma chave que abre e fecha, um receptor e uma bateria. E o primeiro radiocondutor (1890), que tornou possível a criação do telégrafo sem fio, foi construído por Édouard Branly empregando um tubo de limalha de ferro, um galvanômetro e uma bateria.

 

Um grande passo

 

A pilha de Volta se coloca na origem dos mais cruciais desenvolvimentos científicos, tecnológicos e industriais do mundo moderno, dos quais depende a qualidade do nosso futuro. A coincidência do 200o aniversário da Invenção da Pilha com o final do milênio aumenta particularmente a importância da data, cuja dimensão internacional foi prevista pela apresentação que o próprio Volta fez da pilha a Napoleão no Instituto Nacional da França (Paris) em 1801.

 

"Este é um grande passo" - escreveu Volta - "realizado no final de 1799; passo que me conduziu à construção do novo instrumento"