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PILAS
Y BATERIAS
En
el caso de necesitarse electricidad en una situación
en la que no se dispone de una línea eléctrica
que suministre la electricidad producida en una central eléctrica,
por ejemplo en un vehículo que se desplaza, una radio
portátil o una linterna, se recurre a una forma u otra
de batería. Una batería es un conjunto de células
electrolíticas utilizadas para suministrar una provisión
de corriente eléctrica continua o directa. Hay células
primarias y células secundarias.
Las células primarias ordinariamente
llamadas pilas producen electricidad en un proceso químico
irreversible, y es necesario eliminarlas y sustituirlas cuando
se agotan. Las células secundarias o acumuladoras actúan
de acuerdo con un principio reversible, y es posible recargarlas
conectándolas con otra fuente adecuada de corriente
eléctrica.
Todas las células tienen dos electrodos
sumergidos en un electrólito. El electrólito
es una sustancia, a menudo líquida, que conduce electricidad
gracias a su disociación en elevado número de
iones. Éstos son átomos que han perdido o ganado
electrones, y por lo tanto tienen una carga eléctrica.
Constituyen ejemplos conocidos de electrólitos las
soluciones de ácidos, bases y sales |
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.Cuando dos electrodos apropiados se sumergen en
un electrólito, un exceso de electrones aparece en un electrodo
(negativo) y una deficiencia en el otro (positivo). La diferencia
de potencial eléctrico entre los dos electrodos origina el
flujo de una corriente eléctrica en un circuito externo que
vincula a los dos electrodos. El flujo de electrones se produce
de negativo a positivo, pero por convención a consectiencia
de razones históricas (los electrones se descubrieron mucho
después del invento de las células eléctricas)
afirmamos que la corriente fluye de positivo a negativo.
La pila primaria .
Algunos experimentos realizados en el siglo XVIII,
permitieron descubrir que cuando dos materiales desiguales, tales
como zinc y carbón (o cobre utilizado en lugar de carbón)
se sumergen en una solución ácida (ácido sulfúrico
diluido en agua), la acción química produce una fuerza
electromotriz entre el zinc y el carbón. Los materiales sumergidos
en el ácido se llaman electrodos, siendo el zinc el negativo
y el carbón (o cobre) el positivo. La solución de
ácido diluido se llama electrólito; el conjunto se
denomina pila. Frecuentemente se confunde las pilas con las baterías.
En realidad la pila es una unidad básica; dos o más
pilas constituyen una batería. Hemos de dar ejemplos de esto
más adelante. Pueden ser húmedas o secas, según
que el electrólito esté constituido por un líquido
o una pasta. En cualquier caso, su producción resulta de
aproximadamente 1,5 voltios. La célula húmeda original,
la célula voltaica, comprende electrodos de cinc y carnobo
(o cobre) sumergidos en un electrólito de ácido sulfúrico.
Se la denomina voltaica en homenaje al científico italiano
Alessandro Volta, que fabricó la primera batería con
una pila de discos de cinc y de cobre separados por capas de fieltro
empapadas en ácido diluido. La moderna célula o pila
seca, utilizada, sola o formando una batería de ellas o acoplamiento
de las mismas en las lintemas y radios portátiles, tiene
un electrodo negativo de cinc (que forma el revestimiento externo)
y un electrodo positivo de carbono. El electrólito es una
pasta espesa, formada esencialmente por una mezcla de grafito, cloruro
de amonio y bióxido de manganeso. El bióxido de maganeso
aparece como despolarizador para eliminar las burbujas de hidrógeno
que de lo contrario se acumularían sobre el electrodo de
carbono e inhibirían la acción de la célula.
Este tipo de célula se basa en la de Leclanché, inventada
por el científico francés Georges Leclanché.
Las minúsculas células para los
auxiliares de la audición y el equipo fotográfico
y de relojería tienen un electrodo positivo de óxido
de mercurio, un electrodo negativo de cinc y una pequeña
cantidad de hidróxido de potasio (potasa cáustica)
como electrólito.
Cuando se conectan externamente los terminales + y - , circula corriente .
En la pila, el electrodo de zinc se
va disolviendo lentamente mientras se halla en funcionamiento. Se
puede llegar al caso de que el zinc se corroe de tal manera que
la pila deja de funcionar. Cuando se llega a este punto la pila
ha alcanzado el final de su vida útil. En otras palabras,
la pila primaria tiene una vida limitada, después de lo cual
su funcionamiento no puede volver a condíciones normales.
Pila Zinc-Carbón (Le Clanche)
La pila más popular y más utilizada es la del tipo zinc-carbón, a veces denominada Le Clanche. En esta pila el electrodo positivo es de carbón (C) y el negativo de zinc (Zn) . El electrolito es un producto químico conocido como cloruro de amonio (NH4CI) , frecuentemente llamado sal de amoníaco. El electrodo negativo es de la forma del recipiente y contiene la totalidad de la pila. El elemento positivo tiene la forma de una varilla de carbón y está colocada en el centro de la pila. El electrólito está mezclado con almidón o con harina formando una pasta. Es decir que una pila seca, realmente no es "seca". En efecto, cuando el electrólito se seca , la pila deja de funcionar. Alrededor del electrodo de carbón se coloca una capa de dióxido de manganeso (MnO2) finamente pulvérizado que actúa como despolarizador.
Cuando la pila trabaja correctamente, entre los terminales
positivo y negativo aparece una diferencia de potencial (o voltaje)
de 1,6 volts. Cuando la pila se "agota", ya sea porque
se ha secado el electrólito, o porque se ha comido la cubierta
de zinc, la tensión entre los terminales disminuye. Alrededor
de 1,1 volts (descargada) este tipo de pila es inútil para
la mayoría de las aplicaciones ya no puede volver a cargarse,
y debe ser descartada. Combinaciones diferentes de distintos metales
y electrólitos pueden producir diferentes voltajes entre
los terminales.
Funcionamiento de la pila
Conectemos un alambre conductor entre los terminales de una pila seca de zinc-carbón. En el electrólito (NH4Cl) hay presente iones amonio (NH4+) e iones cloruro (Cl -) . Cuando el zinc hace contacto con el electrólito los iones de zinc (Zn++) entran en la solución, dejando cada uno de ellos dos electrones sobre el electrodo negativo. La acumulación de electrones constituye una carga negativa sobre el zinc. Los iones (Zn++) en la solución repelen a los iones amonio (NH4+) y a los iones hidrógeno positivos (H+), los cuales son colectados sobre la superficie del electrodo de carbón en la forma de burbujas gaseosas. La pérdida de electrones deja el electrodo de carbón con una carga positiva. Los iones (Zn++) se combinan químicamente con los iones (Cl -) para formar cloruro de zinc (ZnCl2) , una sustancia blanca. Se puede ver esta sustancia cuando las pilas envejecen demasiado. La cubierta de zinc es usada gradualmente para formar el (ZnCl2) durante el funcionamiento de la pila.
Funcionamiento de la pila seca zinc - carbón .
Los electrones agrupados sobre el electrodo de zinc, se repelen unos a otros. Esta repulsión sumada a la atracción de la carga positiva sobre el electrodo de carbón, da como resultado la formación de la f.e.m. de la pila .Esta f.e.m. hace que circule una corriente de electrones entre los electrodos cuando hay un camino externo. La acumulación de burbujas de hidrógeno sobre la superficie de carbón afecta en forma adversa el funcionainiento de la pila, bloqueando su acción química. Esto se llama polarización. El dióxido de manganeso en el electrólito evita la polarización, combinándose con el hidrógeno y formando agua.
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