“Construcción de una pila”
I. Planteamiento del Problema.
La pila es un dispositivo generador de corriente continua constituido por dos placas de distinta naturaleza química o electrodos sumergidos en una disolución electrolítica. La primer pila eléctrica fue construida por A. Volta en 1800.
La energía que se extrae de una pila es resultado de las reacciones químicas que se establecen entre los electrodos y la solución electrolítica, como consecuencia de su distinta afinidad electrónica. Al introducir, por ejemplo, cobre y cinc en una disolución de sulfato de cobre y sulfato de cinc, algunos de los átomos de los electrodos se ionizan (pierden algún electrón) y pasan a la solución. Al ser diferentes los potenciales de ionización de ambos electrodos, es decir, su capacidad para perder electrones, se crea una distinta concentración de electrones libres entre los electrodos, es decir, una diferencia de potencial que puede utilizarse como generadora de corriente eléctrica.
En la construcción de pilas sean encontrado muchas variantes para tratar de hacerlas más eficientes, que generen una corriente de mayor voltaje o simplemente que sean más manejables económicas y duraderas.
II.Marco Teórico
a) Elementos de una Pila.
Seca.
La pila primaria más común es la pila Leclanché o pila seca, inventada por el químico francés Georges Leclanché en la década de 1860. La pila seca que se utiliza hoy es muy similar al invento original. El electrolito es una pasta consistente en una mezcla de cloruro de amonio y cloruro de cinc. El electrodo negativo es de cinc, igual que el recipiente de la pila, y el electrodo positivo es una varilla de carbono rodeada por una mezcla de carbono y dióxido de manganeso. Esta pila produce una fuerza electromotriz de unos 1,5 voltios. Una fuente de potencia portátil similar a la batería, pero con una pasta en vez de un líquido entre dos placas de una pila seca.
En este tipo de pilas el cinc se corroe, lo que ha dado lugar a la invención de pilas con otros materiales distintos. La fuerza electromotriz que producen es de 1,5 V.
Pila Primaria
Otra pila primaria muy utilizada es la pila de cinc-óxido de mercurio, conocida normalmente como batería de mercurio. Puede tener forma de disco pequeño y se utiliza en audífonos, células fotoeléctricas y relojes de pulsera eléctricos. El electrodo negativo es de cinc, el electrodo positivo de óxido de mercurio y el electrolito es una disolución de hidróxido de potasio. La batería de mercurio produce 1,34 V, aproximadamente.
Pila Solares.
Las pilas solares producen electricidad por un proceso de conversión fotoeléctrica. La fuente de electricidad es una sustancia semiconductora fotosensible, como un cristal de silicio al que se le han añadido impurezas. Cuando la luz incide contra el cristal, los electrones se liberan de la superficie de éste y se dirigen a la superficie opuesta.
Pilas alcalinas o de cinc/dióxido de manganeso (zn/mno2)
La diferencia con la pila seca es el electrolito utilizado, en este caso, hidróxido de potasio, en vez de cloruro de amonio, y el cinc está en polvo. Son las de larga duración. Casi todas vienen blindadas, lo que dificulta el derramamiento de los constituyentes. Sin embargo, este blindaje no tiene duración ilimitada
Pilas de níquel/cadmio (ni/cd)
Están basadas en un sistema formado por hidróxido de níquel, hidróxido de potasio y cadmio metálico. Poseen ciclos de vida múltiples, presentando la desventaja de su relativamente baja tensión. Pueden ser recargadas hasta 1000 veces y alcanzan a durar decenas de años. No contienen mercurio, pero el cadmio es un metal con características tóxicas.
Pilas de cinc-aire
Se las distingue por tener gran cantidad de agujeros diminutos en su superficie. Tienen mucha capacidad y una vez en funcionamiento su producción de electricidad es continua. Contienen más del 1 % de mercurio, por lo que presentan graves problemas residuales.
Baterías plomo/ácido
Normalmente utilizadas en automóviles, sus elementos constitutivos son pilas individualmente formadas por un ánodo de plomo, un cátodo de óxido de plomo y ácido sulfúrico como medio electrolítico.
Pilas de níquel/hidruro metálico (ni/mh)
Son pilas secundarias como las de níquel/cadmio, pero donde el cadmio ha sido reemplazado por una aleación metálica capaz de almacenar hidrógeno, que cumple el papel de ánodo. El cátodo es óxido de níquel y el electrolito hidróxido de potasio.
b) Electroquímica
Parte de la Química que estudia la formación y descomposición de los compuestos químicos mediante la corriente eléctrica. La Electroquímica es la parte de la química que trata de la relación entre las corrientes eléctricas y las reacciones químicas, y de la conversión de la energía química en eléctrica y viceversa. En un sentido más amplio, la electroquímica es el estudio de las reacciones químicas que producen efectos eléctricos y de los fenómenos químicos causados por la acción de las corrientes o voltajes.
c) Electrolitos y su clasificación
Los electrolitos son las disoluciones que contienen iones y dejan pasar fácilmente la corriente eléctrica, pudiéndose efectuar una electrólisis. Un electrolito es una sustancia que disocia iones libres cuando se disuelve o funde, para producir un medio que conduce la electricidad. Dado que generalmente están compuestos de iones en una solución, a los electrolitos se les llama también solutos iónicos. Los electrolitos generalmente existen como ácidos, bases o sales.
Clasificación
Los electrólitos fuertes son aquellos que producen muchos iones y es el caso de los ácidos y bases fuertes como el cloruro sódico o el hidróxido de sodio. Los ácidos y bases débiles son ejemplos de electrólitos débiles, como es el caso del amoniaco. Las sales disueltas en agua.
Los que tienen unos valores altos en iones son electrolitos fuertes y los de valores bajos son los débiles. A dilución infinita todos los electrolitos son fuertes.
Otra clasificación es electrolitos potenciales y electrolitos verdaderos. Un electrolito verdadero está formado por moléculas sin carga en estado puro. La mayoría de las sales son de este tipo. Un electrolito potencial está formado por moléculas sin carga en estado puro, pero cuando se disuelve, partes de él reaccionan químicamente con el disolvente dando iones.
d) Catalizador
Un catalizador es la sustancia que altera la velocidad de una reacción química sin sufrir en sí ningún cambio químico. Las enzimas, que se encuentran entre los catalizadores más importantes, tienen una función esencial en los organismos vivos donde aceleran reacciones que de otra forma requerirían temperaturas que podrían destruir la mayoría de la materia orgánica.
e) Oxidación
En una reacción química o electroquímica se entiende por reducción la disminución del número de oxidación de uno o más elementos de un compuesto , la disminución del número de oxidación de un elemento provoca la adquisición de electrones por parte del mismo elemento; por lo tanto estos electrones han de ser cedidos por otro elemento que se oxida. Sólo en las reacciones electroquímicas es posible imaginar el desarrollo de reacciones de reducción en situaciones diferentes
Cuando se produce una reacción química de oxidación sucede alguna de las posibilidades siguientes:
– Un elemento o compuesto gana oxígeno.
– Un compuesto pierde hidrógeno.
– Un átomo o un ión pierden electrones.
f) Reducción
Se le llama reducción al elemento el cuál en el proceso de oxidación y reducción obtiene una ganancia de electrones por parte de un átomo, y en cuanto a su valencia se le lama al elemento que disminuye su valencia.
Las reacciones de oxidación-reducción son muy frecuentes en la industria: constituyen el principio de funcionamiento de las pilas eléctricas y se emplean para refinar electroquímicamente determinados metales. En la naturaleza, intervienen en la respiración celular y la fotosíntesis.
g) Tipos de Pilas
De entre los tipos de pilas que utilizan la reacción química entre electrodos y disolución electrolítica pueden señalarse las siguientes:
-Pila Daniell. Fue muy utilizada como fuente de potencia estacionaria en aplicaciones domésticas y en las oficinas de telégrafos. Inventada por el científico Inglés J. F. Daniell a principios del siglo XIX, se fundamenta en la cadena formada por Zn, ZnSO4, CuSO4, Cu. Las dos disoluciones se separan por un tabique poroso. Esta pila es impolarizable, decreciendo ligeramente su fuerza electromotriz al aumentar la temperatura.
-Pila Leclanché. Inventada en 1876, es uno de los modelos de pila más utilizados en nuestros días bajo la forma de pila seca. La cadena es Carbono (ánodo), Cloruro de amonio, cinc. El electrólito (NH4Cl) se inmoviliza impregnando una substancia absorbente o gelatinosa, como el agar-agar. Alrededor del ánodo se suele colocar un despolarizante sólido de bióxido de manganeso, con la función de oxidar el hidrógeno producido en la electrólisis al contacto con el carbón. En este tipo de pilas el cinc se corroe, lo que ha dado lugar a la invención de pilas con otros materiales distintos. La fuerza electromotriz que producen es de 1,5 V.
-Pila Voltáica. Una pila voltaica aprovecha la electricidad de una reacción química espontánea para encender una bombilla (foco). Las tiras de cinc y cobre, dentro de disoluciones de ácido sulfúrico diluido y sulfato de cobre respectivamente, actúan como electrodos. El puente salino (en este caso cloruro de potasio) permite a los electrones fluir entre las cubetas sin que se mezclen las disoluciones. Cuando el circuito entre los dos sistemas se completa (como se muestra a la derecha), la reacción genera una corriente eléctrica.
-Pila Weston. Es una pila impolarizable constituida por la cadena cadmio (cátodo), disoluciones saturadas de sulfato de cadmio, disolución saturada de sulfato de mercurio y mercurio (ánodo). Su fuerza electromotriz es muy constante, con variaciones de 0,00005 %. La gran contaminación que sus componentes residuales producen hacen desaconsejable su utilización y almacenamiento. La Conferencia Internacional de Unidades y Patrones de 1908 la recomendó como unidad de fuerza electromotriz.
-Pila Cruikshank. Es una pila de forma cilíndrica horizontal, construida hacia 1810, que evitaba las comunicaciones parásitas entre electrodos que aparecieron en la pila de Volta.
-Pila Poggendorff. Es una pila cuyo electrólito es dicromato potásico, siendo el ánodo varias capas de carbón de retorta que se encuentran entre dos láminas de cinc deslizables, que hacen de cátodo.
-Pila de Bunsen. Inventada en 1843, utiliza el ácido nítrico como sustancia despolarizante.
-Pila de Féry. En ella, una lámina de cinc que es el cátodo, se coloca en el fondo de un recipiente en el que se encuentra la solución de cloruro amónico. El ánodo está constituido por carbón poroso.
III.Hipótesis
La pila requiere que se produzcan dos reacciones, una de oxidación, en la que se liberen electrones, y otra de reducción, donde se aporten electrones, en electrodos distintos, de modo que entre ambos se establezca un flujo de electrones.
Para que el sistema funcione espontáneamente es necesario que la variacion de la función de Gibbs global sea negativa. Al sistema se le llama célula o pila galvánica y al conjunto de cada electrodo con su disolución asociada, semi-pila o semi-célula.
Por lo tanto, la reacción química a través de la solución de Ácido Sulfúrico (H2 SO4) dará origen a un voltaje.
IV. Materiales y Reactivos
- Placa de Asbesto § Cloruro de Amonio
- Lámina de Cinc § Bióxido de Manganeso
- Algodón § Una pila de 1.5 V
- Polvo de Carbón Vegetal § Un Let
- Barra de Carbón § Alambre de Cobre
- Grafito
V. Bibliografía
- Física
Serway / Faughin
Thomson
- Física General
Pérez Montiel Héctor
Patria Cultural
- Química 1
Rodríguez León
Pearson
- Apuntes de Química
- Enciclopedia Universal
Micronet.
- Encarta