PILAS.
Hay dos maneras de producir electricidad para aplicarla a usos prácticos: bien mediante máquinas llamadas dinamos o generadores de corriente eléctrica, cuando se trata de un consumo apreciable para instalaciones fijas; o bien mediante el empleo de baterías de pilas secas o de acumuladores, si se trata de aparatos portátiles o vehículos automóviles.
Una pila transforma la energía química en energía eléctrica; parte de esa energía química se transforma en calor (energía calorífica) y el resto en corriente eléctrica.
Existen dos clases de pilas: la primaria, cuya carga no puede renovarse cuando se agota, excepto reponiendo las sustancias químicas de que está compuesta, y la secundaria, que sí es susceptible de reactivarse sometiéndola al paso más o menos prolongado de una corriente eléctrica continua, en sentido inverso a aquél en que la corriente de la pila fluye normalmente. La pila seca común que se emplea, por ejemplo, en las lámparas portátiles es una pila primaria.
En la fabricación de una pila primaria se pueden emplear diversas sustancias químicas, pero el principio que rige su funcionamiento será siempre el mismo. Así en la pila primaria, hay dos metales diferentes, o bien un metal y carbón (estos elementos son designados electrodos), y un líquido, denominado electrolito. Uno de estos elementos llamado el cátodo, o sea el polo negativo, es generalmente de cinc; el positivo, denominado ánodo, es casi siempre de carbón. Las reacciones químicas que tienen lugar, hacen que el cátodo se disuelva poco a poco en el electrólito, lo cual pone en libertad a electrones que, de encontrar un conductor o sistema que conecte a ambos electrodos, por donde puedan circular, producen una corriente eléctrica.
HISTORIA.
Origen de la Pila Voltaica:
En 1780 Luis Galvani, profesor de anatomía de la Universidad de Bolonia, Italia, al realizar un experimento, observó que las ancas de una rana recién muerta se crispaban y pataleaban al tocárselas con dos barras de metales diferentes. La explicación del fenómeno la dio poco tiempo después Alejandro Volta, profesor de física de la Universidad de Pavía, Italia, quien descubrió que la causa de tales movimientos crispantes de las ancas de la rana se hallaban en el paso de una corriente eléctrica producida por los dos metales diferentes; investigó como producir electricidad por reacciones químicas y en 1800, después de una amplia experimentación, inventó un dispositivo que se conoce como pila voltaica. Colocó una serie de pequeñas placas de cinc y plata, en pares, una arriba de la otra, separando cada par de placas por una tela humedecida con agua salada; el conjunto produjo una corriente eléctrica y fue este el origen de la primera pila eléctrica. Pronto la perfeccionó reemplazándola por una pila de dos elementos; cobre y cinc, sumergidos en una solución de ácido sulfúrico contenida en un recipiente.
En esta sencilla forma de pila
primaria, las placas de cinc y de cobre están separadas por el electrolito. Si
se conectan con un alambre, la corriente eléctrica fluye a través del
conductor, pero tan pronto como el circuito se interrumpe porque el alambre se
desconecta, deja de fluir. Esta pila no dura indefinidamente, ya que el ácido
sulfúrico ataca al cinc, y cuando éste se consume, la pila se agota. Para
reactivarla, será necesario reponer la placa de cinc y el ácido del
electrólito. Debido a las reacciones químicas que tienen lugar dentro de la
pila, se desprenden pequeñas burbujas de hidrógeno que se adhieren al electrodo
de cobre y forman una capa aislante; cuando esto sucede, la corriente no pasa y
se dice que la pila está polarizada. Para eliminar este inconveniente, se
agregan ciertas sustancias químicas que se combinan con el hidrógeno y evitan
los efectos polarizantes.
Pilas Galvánicas:
Una aplicación realmente útil de lo visto antes, es aprovechar el traspaso de electrones en forma espontánea. Esto se puede hacer por medio de un hilo conductor, pero se debe tener en cuenta el mantener separados los átomos de cobre de los de plata para, de esta forma, evitar la entrega directa de electrones.
En la figura de abajo se muestra un esquema de un dispositivo en el cual se logra hacer pasar los electrones desde los átomos de cobre hasta los iones de plata, pasando por un hilo conductor.
Esta es la conocida pila galvánica o voltaica, un generador de corriente eléctrica que se produce por el flujo espontáneo de electrones desde el electrodo 1 al electrodo 2.
El electrodo 1 toma carga negativa al recibir los electrones cedidos por los átomos de cobre. En cambio, el electrodo 2, del que los iones Ag+ retiran electrones, toma carga positiva.
El electrodo donde se produce la oxidación, en este caso en electrodo 1, se denomina ÁNODO. Esta es la ecuación:
Cu(s) ð Cu+2 (aq) + 2 e-
El electrodo donde se produce la reducción, en este caso el electrodo 2, toma el nombre de CÁTODO.
2 Ag+(aq) + 2 e- ð 2 Ag (s)
La reacción global de la pila, la misma que vimos con las reacciones redox, es la suma de las dos semireacciones, la anódica y la catódica es la siguiente:
2 Ag+ (aq) + Cu (s) ð 2 Ag (s) + Cu+2 (aq)
En esta pila galvánica, al igual que en todas, el ánodo es el electrodo negativo y el cátodo el electrodo positivo.
Para que funcione correctamente esta pila galvánica, los compartimentos deben permanecer eléctricamente neutros. A medida que el cobre se oxide, la disolución que rodea al ánodo va tomando carga positiva, por los iones Cu+2 que se forman. Además, a medida que los iones Ag+ se van reduciendo a plata neutra, la disolución que rodea al cátodo va tomando carga negativa, porque van quedando menos iones Ag+ que de NO3-.
Para que los compartimentos se mantengan eléctricamente neutros, se utiliza un puente salino, este consiste en un tubo que contiene un electrolito ajeno a las reacciones que ocurren en los electrodos. A medida que la pila funciona, los iones negativos del puente salino se difunden hacia el compartimento donde se forman los iones Cu+2, mientras que los positivos lo hacen hacia el compartimento donde se consumen los iones Ag+. De esta forma se produce una especie de equilibrio eléctrico.
Los extremos del puente salino deben cerrarse con tapones porosos para evitar la entrega inmediata de todos los iones.
En este caso se ha puesto un ejemplo en particular de reacción redox espontánea, pero para construir una pila galvánica, se puede usar cualquier otra reacción redox espontánea, y el voltaje obtenido dependerá de la reacción y de las concentraciones de las mismas.
TIPOS DE PILA:
Clasificación:
Las pilas se pueden dividir en dos tipos principales de estas, primarias o secundarias. Una pila primaria produce energía consumiendo algún químico que esta contiene. Cuando este se agota, la pila ya no produce más energía y debe ser reemplazada. Por ejemplo en este grupo encontramos a las pilas de zinc-carbono.
Las pilas secundarias, o pilas de almacenamiento, obtienen su energía transformando alguno de sus químicos en otro tipo de químicos. Cuando el cambio es total, la pila ya no produce más energía. Sin embargo, esta puede ser recargada mandando una corriente eléctrica de otra fuente a través de ella para así poder volver a los químicos a su estado original. Un ejemplo de este grupo es la batería de auto o pila de ácido-plomo.
Nombrando los tipos de pilas debemos mencionar las pilas experimentales, estas aunque aun se pueden clasificar en alguno de estos dos grupos, deben mencionarse aparte ya que son hechas a pedido y responden a necesidades específicas. Por ejemplo, una pila que deba alimentar a radiotransmisor en una región montañosa en una central autónoma, este tipo de pilas debería poder soportar grandes periodos de tiempo, ser muy confiable y probablemente soportar temperaturas extremas. O el claro ejemplo de las pilas usadas en los transbordadores espaciales ya que estas no pueden ser reemplazadas luego del lanzamiento.
TIPO DE PILA MÁS USADA.
Sistema de dióxido de Zinc-Manganeso: Este es el tipo más usado de pilas en el mundo. Su usos típicos son, linternas, juguetes, walkmans, etc. Hay tres variantes para este tipo de pila: la pila Leclanché, la pila de cloruro de zinc, y la pila alcalina. Todas entregan un voltaje inicial de 1.58 a 1.7 volts, el cual declina con el uso hasta un punto de 0.8 volts aprox. La pila Leclanché es la más económica de estas, fue inventada en 1866 por un ingeniero francés (la pila lleva su nombre Charles Leclanché). Se convirtió en un éxito instantáneo debido a sus constituyentes de bajo presupuesto. El ánodo de este tipo de pila es una hoja de aleación de zinc, esta aleación contiene pequeñas cantidades de; plomo, cadmio y mercurio. El electrolito consiste en una solución acuosa y saturada de cloruro de amonio conteniendo 20% de cloruro de zinc. El cátodo está compuesto de dióxido de manganeso impuro, mezclado con carbón granulado, para creas un cátodo húmedo con un electrodo de carbón.
Aunque fue patentada en 1899 la pila de cloruro de zinc es realmente una adaptación moderna a la pila de Leclanché. La gran diferencia esta en que gracias a sellados de plástico esta pila a podido terminar con el uso de cloruro de amonio. También el dióxido de manganesos de alta pureza. Este tipo de pila tiene una más larga duración que la pila de Leclanché. También esta pila puede traer confiabilidad satisfactoria sin usar mercurio en la aleación de zinc.
La más alta densidad energética (watts por cm cubico) de las pilas de zinc-manganeso se puede encontrar en pilas con un electrolito alcalino el cual permite una construcción completamente distinta al resto de su tipo. Estas estuvieron disponibles comercialmente durante la década de los 50. El cátodo de un dióxido-grafito de manganeso muy puro y un ánodo de una aleación de zinc enriquecida son asociados con un electrolito de hidróxido de potasio y puesto en una lata de acero. Aunque el mercurio contenido en la aleación de zinc solía ser de hasta un 6 a 8 porciento, actualmente se ha logrado reducir este índice a un impresionante 0.15%, para así poder reducir el impacto ambiental que estas producen. Está de más decir que este tipo de pila es altamente superior a ambas de las descritas anteriormente.
DIFERENCIA ENTRE PILA Y BATERIA.
La diferencia entre pila y batería es que la pila es un solo elemento y las baterías son una composición de elementos, es decir, que una batería está formada por una conexión de pilas normalmente conectadas en serie, con lo cual la batería resultante tiene una tensión de un valor igual a la suma de todas las pilas conectadas en serie.
Las pilas recargables suelen ser de plomo mientras que las desechables son químicas. Las pilas normales tienen más caída de tensión interna y por lo tanto para dar la misma corriente tienen que tener más tensión mientras que las otras con menos tensión dan la misma corriente.
Eso no tiene nada que ver con la técnica es simplemente una cuestión de fabricación
Las pilas no son inofensivas. Lo mejor es saber distinguir entre los distintos tipos de pilas que hay en el mercado y cuáles son sus "contraindicaciones".
En general, se venden 5 tipos de pilas no "recargables" compuestas por los siguientes minerales:
1- carbón - zinc
2- alcalinas
3- cloruro de zinc
4- óxido de plata
5- óxido de mercurio
Las dos primeras son las más comunes; las usamos para radios, linternas, "walk-man", etc.
Ambas contienen diferentes porcentajes de mercurio. Las otras tres también se venden mucho y son las baterías, botón de los relojes, calculadoras, cámaras de fotos. El porcentaje de óxido de mercurio en éstas puede llegar al 50% de su peso total. En ambos grupos existe un elemento altamente contaminante: el mercurio.
BIBLIOGRAFIA:
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