PILAS Y BATERÍAS

COMO TRANSFORMAN LA ENERGÍA QUÍMICA EN ELÉCTRICA

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Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta, físico italiano, hijo de una madre procedente de la nobleza y de un padre de la alta burguesía, recibió una educación básica y media de características humanista, pero al llegar a la enseñanza superior optó por una formación científica. En el año 1774, es nombrado profesor de física de la Escuela Real de Como. Justamente, un año después Volta realiza su primer invento de un aparato relacionado con la electricidad.

Con dos discos metálicos, separados por un conductor húmedo, pero unidos con un circuito exterior logra, por primera vez, producir corriente eléctrica continua, se inventa el electróforo perpetuo, un dispositivo que una vez que se encuentra cargado puede transferir electricidad a otros objetos.

Entre los años 1776 y 1778 se dedica a la química y descubre y aísla el gas de metano. Un año más tarde, en 1779, es nombrado profesor titular de la cátedra de física experimental en la Universidad de Pavia. Voltio, la unidad de potencia eléctrica, se denomina así en honor a este portentoso –en el buen sentido- de las ciencias. Sus trabajos fueron publicados en cinco volúmenes en el año 1816, en Florencia. Sus últimos años de vida los pasó en su hacienda en Camnago cerca de Como, donde fallece el 5 de marzo de 1827.

El fundamento de las pilas y acumuladores es la transformación de la energía química en eléctrica, mediante reacciones de oxidación-reducción producidas en los electrodos, que generan una corriente de electrones

Cuando se unen mediante un hilo metálico dos cuerpos entre los cuales existe una diferencia de potencial, se produce un paso de corriente que provoca la disminución gradual de dicha diferencia. Al final, cuando el potencial se iguala, el paso de corriente eléctrica cesa. Para que la corriente siga circulando debe mantenerse constante la diferencia de potencial.

En 1800, Alejandro Volta inventó un aparato generador de corriente. La pila de Volta (que él llamó «aparato electromotor de columna»> estaba constituida por un conjunto de pares de discos, unos de cobre y otros de cinc, con un disco de tela impregnada en agua salada —o en cualquier otro líquido conductor— intercalado entre dos pares sucesivos. Se trataba de un dispositivo muy cómodo y manejable, que funcionaba de modo continuo, y que posibilitó la aparición de nuevos descubrimientos sobre electricidad.

esquema pila de volta

Funcionamiento de una pila electroquímica

El funcionamiento de una pila es sencillo, consiste básicamente en introducir electrones en uno de los extremos de un alambre y extraerlos por el otro. La circulación de los electrones a lo largo del alambre constituye la corriente eléctrica. Para que se produzca, hay que conectar cada extremo del alambre a una placa o varilla metálica sumergida en un electrolito que suele ser una solución química de algún compuesto iónico.

Cuando ese compuesto se disuelve, las moléculas se dividen en iones positivos y negativos, que se mantienen separados entre sí por efecto de las moléculas del líquido. El electrolito que utilizó Volta era ácido sulfúrico; cada una de sus moléculas, al disolverse en agua, se descompone en dos protones H+ (iones positivos) y un ion sulfato SO4- (ion negativo).

Las varillas metálicas de cobre y cinc constituyen los electrodos, que deben ser sumergidos en el electrolito sin que lleguen a entrar en contacto. La placa de cobre es el electrodo positivo o ánodo y la placa de cinc el electrodo negativo o cátodo.

Al reaccionar el electrolito con las varillas se produce una transmisión de electrones, que han sido extraídos de la placa de cinc, hacia la placa de cobre, con lo que los átomos de cinc son oxidados e incorporados a la disolución, según la reacción:

Zn —> Zn2++ 2e-

Esto ocurre así y no al revés, del cobre al cinc, porque los átomos de cinc tienen más tendencia que los de cobre a ceder electrones.

En la varilla de cobre se produce una reducción de los iones hidrógeno H+ de la disolución, ya que los electrones liberados por los átomos de cinc recorren el hilo conductor hacia la placa de cobre y son captados por los H+, que se convierten en átomos de hidrógeno y escapan en forma de gas. Estos electrones en movimiento son los que originan la corriente eléctrica.

Por su parte, los iones SO4- reaccionan con los cationes Zn2+ y se convierten en moléculas de sulfato de cinc.

2 H~+2e ---> H2

Zn2+ + SO42- ---> ZnSO4

Cuando se corta la conexión exterior entre las placas, los electrones no pueden desplazarse a lo largo del hilo de una placa a la otra, con lo que se interrumpe la reacción.

El dispositivo funciona mientras existan átomos de cinc para formar el sulfato correspondiente. Cuando la placa de cinc se ha desintegrado por completo ya no puede producirse la reacción, por lo que la pila ya no tiene uso. Por este motivo, las pilas de este tipo reciben el nombre de pilas primarias.

Baterías

Las pilas secundarias o acumuladores son aquellas que pueden recargarse, es decir pueden reiniciar el proceso mediante el aporte de energía de una fuente exterior normal mente un generador, que hace que los compuestos químicos se transformen en los compuestos de partida, al hacer pasar corriente a través de ellos en sentido opuesto

Un acumulador es, por tanto, un aparato capaz de retener cierta cantidad de energía en su interior, suministrada externamente, para emplearla cuando la necesite.

Así, una batería está formada por varios acumuladores, y puede ser ácida o calina en función’de la naturaleza del electrolito. Por ejemplo, las baterías de los coches son ácidas, porque contienen un electrolito de ácido sulfúrico en el que se sumergen una placa de plomo metálico y otra de dióxido de plomo. Las reacciones en este caso son las siguientes:

H2SO4 ---> 2H+ + SQ42-

Cátodo:...............   Pb + S042 ---->  PbSO4 + 2e-

Ánodo: ........ PbO2 + S042- +4 H30+ +  2 e- --->  PbSO4 + 6 H20

Cuando se agota el plomo o el dióxido de plomo la batería está gastada y para recargarla se hace pasar una corriente eléctrica de la placa positiva a la negativa mediante un alternador o dinamo, de manera que el sulfato de plomo se vuelve a des componer en plomo en la placa negativa, y en la positiva en dióxido de plomo

En las baterías alcalinas el electrolito suele ser hidróxido potásico, y las placas son habitualmente, de níquel y de hierro.

Pilas de combustible

Para solucionar el problema del agotamiento definitivo de las baterías y acumuladores, Francis Bacon inventó en 1959 la llamada pila de combustible, en la que las sustancias que generan la corriente eléctrica no están contenidas en la propia pila, sino que se van aportando a medida que se necesitan.

La primera pila de combustible, también llamada pila Bacon, era alimentada por hidrógeno y oxígeno gaseosos. Contiene un electrolito de hidróxido potásico disuelto en agua, entre dos placas metálicas porosas que no permiten el paso del electrolito a través de ellas, pero sí su penetración parcial.

Uno de los electrodos es alimentado con el gas hidrógeno y el otro con el oxígeno, a presiones determinadas para que sólo pueda penetrar una parte de la placa. Es a través de los poros de los metales de las placas por donde entran en contacto los gases con el electrolito. En la placa negativa se produce una combinación de las moléculas de hidrógeno con los iones hidroxilo del electrolito, suministrando electrones. En la placa positiva los átomos de oxígeno capturan los electrones y se combinan con moléculas de agua para formar iones hidroxilo, que se disuelven en el electrolito.

Las reacciones continúan y la corriente eléctrica se mantiene mientras los electrodos estén conectados exteriormente y se produzca el aporte de oxígeno e hidrógeno. A veces es necesario utilizar un metal que actúe como catalizador de la reacción. El idóneo es el platino, pero debido a su elevado coste suele emplearse níquel.

Este tipo de pilas son ideales para el suministro de energía en estaciones espaciales o submarinas, por ejemplo, donde no es fácil el montaje de equipos generadores de tipo convencional. Sin embargo, no son válidas para sustituir a la batería de los automóviles, ya que se necesita un equipo auxiliar que caliente la pila y elimine el exceso de agua —en el caso de la pila Bacon— o de dióxido de carbono —en otros tipos similares que emplean carbonatos como electrolitos.

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