A bateria do seu carro só funciona graças à relatividade
Michael Schirber - Physical Review Focus
A bateria chumbo-ácida (ou bateria de chumbo-ácido) que dá a partida
na maioria dos motores de carro tira cerca de 80 por cento de sua
energia da relatividade.
É o garantem Rajeev Ahuja e seus colegas da Universidade de Upsala, na Suécia.
O efeito relativístico vem do rápido movimento dos elétrons do átomo de chumbo.
As simulações computadorizadas feitas pela equipe também explicam por
que as baterias de estanho-ácido não funcionam, apesar das aparentes
semelhanças entre o estanho e o chumbo.
Relatividade nos elétrons
Os elétrons normalmente orbitam seus átomos a uma velocidade muito
inferior à velocidade da luz. Assim, os efeitos relativísticos podem ser
largamente ignorados quando descrevemos as propriedades atômicas.
Mas os elementos mais pesados da tabela periódica representam algumas
exceções notáveis. Seus elétrons devem orbitar a uma velocidade próxima
à da luz para equilibrar o efeito da forte atração dos seus grandes
núcleos.
Segundo a relatividade, esses elétrons de alta energia agem como se
tivessem uma massa muito maior. Assim, em comparação com os elétrons
mais lentos, seus orbitais devem diminuir de tamanho para manter o mesmo
momento angular.
Essa contração orbital, que é mais pronunciada nas órbitas
esfericamente simétricas dos elementos pesados, explica porque o ouro
tem uma tonalidade amarelada e por que o mercúrio é líquido à
temperatura ambiente.
Bateria chumbo-ácida
Trabalhos anteriores já haviam estudado os efeitos relativísticos
sobre a estrutura cristalina do chumbo, mas pouco se estudou esses
efeitos sobre as propriedades químicas deste elemento pesado. Então,
Rajeev Ahuja e seus colegas suecos decidiram estudar a forma mais comum
da química do chumbo: a bateria chumbo-ácida.
Esta tecnologia, de mais de 150 anos de idade, é baseada em células
consistindo de duas placas - feitas de chumbo e dióxido de chumbo (PbO2) - imersas em ácido sulfúrico (H2SO4).
O chumbo libera elétrons para tornar-se sulfato de chumbo (Pb2O4),
enquanto o dióxido de chumbo ganha elétrons, para também tornar-se
sulfato de chumbo. A combinação dessas duas reações resulta em uma
diferença de potencial de 2,1 volts entre as duas placas.
Junte diversas placas e você terá uma bateria com a tensão desejada - normalmente 12 volts, no caso dos automóveis.
Primeiros princípios
Embora já existam modelos teóricos da bateria chumbo-ácida, Ahuja e
seus colaboradores são os primeiros a derivar um modelo partindo dos
princípios fundamentais da física - os chamados primeiros princípios.
Para descobrir a tensão da célula, a equipe calculou a diferença de
energia entre as configurações dos elétrons dos reagentes e dos
produtos. Tal como acontece nos problemas dos livros de física,
envolvendo bolas rolando morro abaixo, não havia necessidade de simular
os detalhes dos estados intermediários, garantido que as energias
iniciais e finais pudessem ser calculadas.
"A parte realmente difícil é simular o eletrólito de ácido
sulfúrico", explica Pekka Pyykko, da Universidade de Helsinque, na
Finlândia, que participou do estudo.
Para evitar o problema, os pesquisadores imaginaram que a reação
começa não com o ácido, mas com a criação do ácido a partir do SO3,
que é mais fácil de simular. No final, eles subtraíram do total a
energia necessária para a criação do ácido (conhecida a partir de
medições anteriores).
Efeitos da relatividade nas baterias
Ligando e desligando as peças relativísticas dos modelos, a equipe
descobriu que a relatividade responde por 1,7 volt de cada célula
individual, o que significa que cerca de 10 dos 12 volts de uma bateria
de carro vem dos efeitos relativísticos.
Sem a relatividade, argumentam os autores, o chumbo funcionaria mais
como o estanho, que está logo acima dele na tabela periódica e que tem o
mesmo número de elétrons (quatro) em suas órbitas externas (s e p).
Mas o núcleo de estanho tem apenas 50 prótons, em comparação com os
82 do chumbo. Assim, a contração relativística da camada externa do
estanho é muito menor.
Simulações adicionais mostraram que uma bateria estanho-ácido
hipotética produziria tensão insuficiente para ser prática porque o
dióxido de estanho não atrai os elétrons com força suficiente. O orbital
s relativamente frouxo do estanho não fornece energia para os elétrons
em níveis similares ao que é feito pelo chumbo.
Até agora, os pesquisadores só tinham uma compreensão qualitativa -
pragmática - de que as baterias de estanho-ácido não funcionavam.
Ram Seshadri, da Universidade da Califórnia, comentando o trabalho,
afirmou que os efeitos relativísticos eram esperados, mas não tinha
idéia de que eles seriam tão dominantes.
"No âmbito do trabalho, a capacidade de simular de forma confiável um
dispositivo tão complexo como uma bateria chumbo-ácida partindo (quase)
dos primeiros princípios, incluindo todos os efeitos relativísticos, é
um triunfo da modelagem," disse Seshadri.
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