La energía no puede crearse ni destruirse, pero puede guardarse de varias formas. Una forma de almacenarla es en forma de energía química en una pila. Cuando se conecta en un circuito, una batería puede producir electricidad.
Las pilas convierten la energía química en energía eléctrica
Una pila tiene dos extremos: un terminal positivo (cátodo) y un terminal negativo (ánodo). Si se conectan los dos terminales con un cable, se forma un circuito. Los electrones fluyen por el cable y se produce una corriente eléctrica. En el interior de la pila se produce una reacción entre sustancias químicas. Pero la reacción sólo tiene lugar si hay un flujo de electrones. Las pilas pueden almacenarse durante mucho tiempo y seguir funcionando porque el proceso químico no se inicia hasta que los electrones fluyen de los terminales negativos a los positivos a través de un circuito.
En una pila se produce una reacción química
Un ejemplo sencillo — La pila de limón
Empecemos con una pila muy sencilla que utiliza un limón que tiene insertados dos objetos metálicos diferentes, por ejemplo un clavo galvanizado y una moneda o alambre de cobre. El cobre sirve como electrodo positivo o cátodo y el clavo galvanizado (recubierto de zinc) como electrodo negativo productor de electrones o ánodo. Estos dos objetos funcionan como electrodos, provocando una reacción electroquímica que genera una pequeña diferencia de potencial.
Dado que los átomos de cobre (Cu) atraen más electrones que los de zinc (Zn), si se pone en contacto un trozo de cobre y otro de zinc, los electrones pasarán del zinc al cobre. Como los electrones se concentran en el cobre, se repelen entre sí y detienen el flujo de electrones del zinc al cobre. Por otro lado, si se ponen tiras de zinc y cobre en una solución conductora, y se conectan externamente con un cable, las reacciones entre los electrodos y la solución permitirán que los electrones fluyan continuamente a través del cable.
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PILA DE MÓNICO
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¿Cómo funciona una batería limón? Una pila de limón se hace con un limón y dos electrodos metálicos de diferentes metales como un centavo o alambre de cobre y un clavo galvanizado (recubierto de zinc). La energía de la pila no proviene del limón, sino del cambio químico del zinc (u otro metal). El zinc se oxida dentro del limón, intercambiando algunos de sus electrones para alcanzar un estado de energía más bajo, y la energía liberada proporciona la potencia. El limón simplemente proporciona un entorno en el que esto puede ocurrir, pero no se consumen en el proceso. Suponiendo que se utilicen electrodos de zinc y cobre (como una moneda de cobre y un clavo chapado en zinc) entonces un solo limón podría generar aproximadamente 0,9 voltios. A la izquierda, un circuito en serie de limones muestra que se producen 3,41 voltios. NOTA: Se pueden utilizar patatas, manzanas, chucrut o cualquier otra fruta o verdura que contenga ácido u otro electrolito, pero se prefieren los limones por su mayor acidez. En las patatas, por ejemplo, el electrolito es el ácido fosfórico, mientras que en los limones es el ácido cítrico. |
En una pila de limón se produce tanto la oxidación (pérdida de electrones) como la reducción (ganancia de electrones). Esta pila es similar a las «pilas voltaicas simples» originales inventadas por Alessandro Volta (véase más abajo). En el ánodo, el zinc metálico se oxida, y entra en la solución ácida como iones Zn2+:
Zn –> Zn2 + + 2 e-
En el cátodo de cobre, los iones de hidrógeno (protones solvatados de la solución ácida del limón) se reducen para formar hidrógeno molecular:
2H++ 2e- –> H2
¿Qué hace que los electrones se muevan?
Cuando sueltas una pelota que tienes en la mano, ésta cae al suelo porque el campo gravitatorio de la Tierra tira de la pelota hacia abajo. De forma similar, las partículas cargadas, como los electrones, necesitan que se realice un trabajo para moverlas de un punto a otro. La cantidad de trabajo por unidad de carga se denomina diferencia de potencial eléctrico entre los dos puntos. La unidad de diferencia de potencial se llama voltio.
La diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo se establece a partir de la reacción química. En el interior de la pila los electrones son empujados por la reacción química hacia el extremo positivo creando una diferencia de potencial.
Es esta diferencia de potencial la que impulsa a los electrones a través del cable.
La diferencia de potencial puede ser positiva o negativa, comparada con la energía gravitatoria, que sube o baja una colina. En una batería el flujo de electrones es cuesta abajo… los electrones pueden fluir cuesta arriba como en el caso de un cargador de baterías.
¿Por qué los electrones no se mueven simplemente del ánodo al cátodo dentro de la batería?
El electrolito de la batería impide que los electrones solitarios vayan directamente del ánodo al cátodo dentro de la batería. Cuando los terminales están conectados con un cable conductor, los electrones pueden fluir fácilmente del ánodo al cátodo.
¿En qué dirección se mueven los electrones en el cable?
Los electrones están cargados negativamente, por lo que serán atraídos por el extremo positivo de una batería y repelidos por el extremo negativo. Cuando la pila se conecta a un dispositivo que permite que los electrones fluyan a través de ella, estos fluyen desde el terminal negativo (ánodo) al positivo (cátodo).
¿Quién inventó la pila electroquímica (batería)?
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LA PRIMERA PILA DE VOLTA
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La pila fabricada por Volta se acredita como la primera célula electroquímica. Consta de dos electrodos: uno de zinc y otro de cobre. El electrolito es ácido sulfúrico o una mezcla de sal y agua. El electrolito existe en forma de 2H+ y SO42-. El zinc, que está por encima del cobre y del hidrógeno en la serie electroquímica, reacciona con el sulfato de carga negativa SO42- . Los iones de hidrógeno cargados positivamente (protones) capturan los electrones del cobre, formando burbujas de gas hidrógeno, H2. Esto hace que la varilla de zinc sea el electrodo negativo y la de cobre el positivo. Ahora tenemos dos terminales, y la corriente fluirá si los conectamos. Las reacciones en esta pila son las siguientes: Zinc Zn –> Zn2+ + 2e- Ácido sulfúrico 2H+ + 2e- –> H2 El cobre no reacciona, funcionando como electrodo para la reacción química. |
¿Cómo funciona una pila moderna (pila de zinc-carbono)?
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Una pila o batería seca de zinc-carbono está envasada en una lata de zinc que sirve tanto de contenedor como de terminal negativo (ánodo). El terminal positivo es una varilla de carbono rodeada por una mezcla de dióxido de manganeso y polvo de carbono. El electrolito utilizado es una pasta de cloruro de zinc y cloruro de amonio disuelta en agua. La varilla de carbono (grafito) es la que recoge los electrones procedentes de la parte anódica de la pila para devolverlos a la parte catódica de la misma. El carbono es el único material conductor práctico porque todos los metales comunes se corroen rápidamente en el electrodo positivo en el electrolito basado en sal. El zinc se oxida de acuerdo con la siguiente ecuación media. El dióxido de manganeso se mezcla con polvo de carbono para aumentar la conductividad eléctrica. La reacción es la siguiente: y el CL se combina con el Zn2+. En esta media reacción, el manganeso se reduce de un estado de oxidación de (+4) a (+3). Existen otras posibles reacciones secundarias, pero la reacción global en una pila de zinc-carbono puede representarse como: Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4Cl(aq) —> Mn2O3(s) + Zn(NH3)2Cl2 (aq) + H2O(l) La pila tiene una e.m.f. de aproximadamente 1,5 V. |
¿Cuáles son los diferentes tipos de pilas?
Los diferentes tipos de pilas utilizan diferentes tipos de sustancias químicas y reacciones químicas. Algunos de los tipos de pilas más comunes son:
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Pila alcalina |
Se utiliza en Duracell® y Energizer® y otras pilas alcalinas. Los electrodos son de zinc y óxido de manganeso. El electrolito es una pasta alcalina. |
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Pila de plomo-ácidoácido |
Se utilizan en los automóviles. Los electrodos están hechos de plomo y óxido de plomo con un ácido fuerte como electrolito. |
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Pila de litio |
Estas pilas se utilizan en las cámaras para el foco del flash. Se fabrican con litio, yoduro de litio y yoduro de plomo. Pueden suministrar picos de electricidad para el flash. |
| Batería de litio | Estas baterías se utilizan en las cámaras para el bulbo del flash. Se fabrican con litio, yoduro de litio y yoduro de plomo. Pueden suministrar picos de electricidad para el flash. |
| Batería de iones de litio | Estas baterías se encuentran en ordenadores portátiles, teléfonos móviles y otros equipos portátiles de alto uso. |
| Batería de níquel-cadmio o NiCad | Los electrodos son de níquel-hidróxido y cadmio. El electrolito es hidróxido de potasio. |
| Pila de zinc-carbono o pila estándar de carbono – | El zinc y el carbono se utilizan en todas las pilas secas AA, C y D normales o estándar. Los electrodos están hechos de zinc y carbono, con una pasta de materiales ácidos entre ellos que sirve como electrolito. |