Pila eléctrica... PAULINA ALE
Una pila eléctrica es un dispositivo que convierte energía química en energía eléctrica por
un proceso químico transitorio, tras lo cual cesa su actividad y han de
renovarse sus elementos constituyentes, puesto que sus características
resultan alteradas durante el mismo. Se trata de un generador primario. Esta energía resulta accesible mediante dos terminales que tiene la pila, llamados polos, electrodos o bornes. Uno de ellos es el polo negativo o ánodo y el otro es el polo positivo o cátodo.
La estructura fundamental de una pila consiste en dos electrodos, metálicos en muchos casos, introducidos en una disolución conductora de la electricidad o electrico.
Las pilas, a diferencia de las baterías,
no son recargables, aunque según países y contextos los términos pueden
intercambiarse o confundirse. En este artículo se describen las pilas
no recargables.
En el castellano ha habido por costumbre llamarla así, mientras que al dispositivo recargable o acumulador, se le ha venido llamando batería. Tanto pila como batería son términos provenientes de los primeros tiempos del estudio de la electricidad,
cuando se juntaban varios elementos o celdas —en el primer caso uno
encima de otro, "apilados", y en el segundo adosados lateralmente, "en
batería"— como se sigue haciendo actualmente, para así aumentar la
magnitud de los fenómenos eléctricos y poder estudiarlos
sistemáticamente. De esta explicación se desprende que cualquiera de los
dos nombres serviría para cualquier tipo, pero la costumbre ha fijado
la distinción.Nombre[editar · edi
Principio de funcionamiento
Aunque
la apariencia de cada una de estas celdas sea simple, la explicación de
su funcionamiento dista de serlo y motivó una gran actividad científica
en los siglos XIX y XX, así como diversas teorías.
Las pilas básicamente consisten en dos electrodos metálicos sumergidos en un líquido, sólido o pasta que se llama electrolito. El electrolito es un conductor de iones.
Cuando los electrodos reaccionan con el electrolito, en uno de los electrodos (el ánodo) se producen electrones (oxidación), y en el otro (cátodo) se produce un defecto de electrones (reducción).
Cuando los electrones sobrantes del ánodo pasan al cátodo a través de
un conductor externo a la pila se produce una corriente eléctrica.
Como puede verse, en el fondo, se trata de una reacción de oxidación y otra de reducción que se producen simultáneamente.
Características, propiedades y forma de utilizar las pilas
Diferencia de potencial[editar · editar código]
La diferencia de potencial, voltaje o tensión que produce un elemento electroquímico o celda electroquímica viene determinado por la naturaleza de las sustancias de los electrodos y del electrolito, así como por su concentración. Walther Nernst obtuvo el premio Nobel de química de 1920por haber formulado cuantitativamente y demostrado las leyes que rigen este fenómeno.
La conexión de elementos en serie (apilando elementos o poniéndolos en batería) permite multiplicar esta tensión básica cuanto se quiera.
Las
propiedades puramente eléctricas de una pila se representan mediante el
modelo adjunto. En su forma más sencilla, está formado por una fuente
de tensión perfecta —es decir, con resistencia interna nula— en serie
con un resistor que representa la resistencia interna.
El condensador de la versión más compleja es enormemente grande y su
carga simula la descarga de la pila. Además de ello, entre los
terminales también aparece una capacitancia, que no suele tener
importancia en las aplicaciones de corriente continua.
Una vez fijada la tensión, la ley de Ohm determina
la corriente que circulará por la carga y consecuentemente el trabajo
que podrá realizarse, siempre que esté, naturalmente, dentro de las
posibilidades de la pila, que no son infinitas, sino que están limitadas
fundamentalmente por el tamaño de los electrodos —lo que determina el
tamaño externo de la pila completa— y por su separación. Estos
condicionamientos físicos se representan en el modelo de generador como
una resistencia interna
por la que pasaría la corriente de un generador ideal, es decir, de uno
que pudiese suministrar una corriente infinita al voltaje
predeterminado.
Conforme
la célula se va gastando, su resistencia interna va aumentando, lo que
hace que la tensión disponible sobre la carga vaya disminuyendo, hasta
que resulte insuficiente para los fines deseados, momento en el que es
necesario reemplazarla. Para dar una idea, una pila nueva de las
ordinarias de 1,5 V tiene una resistencia interna de unos 350 mΩ,
mientras que una vez agotada puede aumentar considerablemente este
valor. Ésta es la razón de que la mera medición de la tensión con un voltímetro no
sirva para indicar el estado de una pila. En circuito abierto, incluso
una pila gastada puede indicar 1,4 V, dada la carga insignificante que
representa la resistencia de entrada del voltímetro, pero, si la
medición se hace con la carga que habitualmente podría soportar, la
lectura bajará a 1,0 V o menos, momento en que esa pila ha dejado de
tener utilidad. Las actuales pilas alcalinas tienen una curva de
descarga más suave que las antiguas de carbón. Su resistencia interna
aumenta proporcionalmente más despacio.
Cuando
se necesita una corriente mayor que la que puede suministrar un
elemento único, siendo su tensión en cambio la adecuada, se pueden
añadir otros elementos en la conexión llamada en paralelo,
es decir, uniendo los polos positivos de todos ellos, por un lado, y
los negativos, por otro. Este tipo de conexión tiene el inconveniente de
que, si un elemento falla antes que sus compañeros o se cortocircuita,
arrastra irremisiblemente en su caída a todos los demás.
En
las características reacciones químicas, las que se producen dentro de
una pila son sensibles a la temperatura y, normalmente, se aceleran
cuando ésta aumenta, lo que se traducirá en un pequeño aumento de la
tensión. Más importante es el caso de la bajada, pues cuando se alcanzan
las de congelación muchas pilas pueden dejar de funcionar o lo hacen
defectuosa mente, cosa de la que suelen advertir los fabricantes. Como
contrapartida, si se almacenan las pilas refrigeradas, se prolongará su
buen estado.
Duración fuera de servicio[editar · editar código]
Lo
ideal sería que las reacciones químicas internas no se produjeran más
que cuando la pila esté en servicio, pero la realidad es que las pilas
se deterioran con el paso del tiempo, aunque no se usen, pues los
electrodos resultan atacados en lo que se conoce con el nombre de acción
local. Puede considerarse que una pila pierde unos 6 mV por mes de
almacenamiento, aunque depende mucho de la temperatura. Actualmente,
esto no constituye un problema grave pues, dado el enorme consumo que
hay de los tipos corrientes, las que se ofrecen en el comercio son de
fabricación reciente. Algunos fabricantes han empezado a imprimir en los
envases la fecha de caducidad del producto, lo que es una práctica
encomia.
Historia
Artículo principal: Historia de la pila La primera pila eléctrica fue la llamada pila voltaica, que fue dada a conocer por Volta en 1800 mediante una carta que envió al presidente de la Royal Society londinense. Se trataba de una serie de pares de discos (apilados) de zinc y de cobre (o también de plata), separados unos de otros por trozos de cartón o de fieltro impregnados de agua o de salmuera, que medían unos 3 cm de diámetro. Cuando se fijó una unidad de medida para la diferencia de potencial, el voltio (precisamente
en honor de Volta) se pudo saber que cada uno de esos elementos
suministraba una tensión de 0,75 V aproximadamente, pero ninguno de
estos conceptos se conocía entonces. Su apilamiento conectados en
serie permitía aumentar la tensión a voluntad, otro descubrimiento de
Volta. El invento constituía una novedad absoluta y gozó de un éxito
inmediato y muy merecido, ya que inició la era eléctrica en que
actualmente vivimos, al permitir el estudio experimental preciso de la
electricidad, superando las enormes limitaciones que presentaban para
ello los generadores electrostáticos,
que son los únicos que existían hasta el momento. Otro tipo mas
temprano de configuración también utilizada y descrita por Volta para el
aparato estaba formada por una serie de vasos con líquido (unos junto a
otros, en batería), en los que se sumergían las tiras de los metales,
conectando externamente un metal con otro.
Inmediatamente
empezaron a hacerse por toda Europa y América innumerables pruebas con
diversos líquidos, metales y configuraciones, tratando de mejorar las
características del aparato original, cosa que pocas veces se consiguió,
pero que originó una infinidad de distintos tipos de pilas, de los
cuales no ha quedado memoria más que de los más notables.
La pila Daniell, dada a conocer en 1836 y de la que luego se han usado ampliamente determinadas variantes constructivas, está formada por un electrodo de cinc sumergido en una disolución de sulfato de cinc y otro electrodo de cobre sumergido
en una disolución concentrada de sulfato de cobre. Ambos electrolitos
están separados por una pared porosa para evitar su reacción directa. En
esta situación, la tensión de disolución del cinc es mayor que la
presión de los iones Zn++ y el electrodo se disuelve, emitiendo Zn++ y quedando cargado negativamente, proceso en el que se liberan electrones y que recibe el nombre de oxidación. En la disolución de sulfato de cobre, debido a su gran concentración de iones Cu++, se deposita Cu sobre el electrodo de este metal que, de este modo, queda cargado positivamente mediante el proceso denominado reducción,
que implica la incorporación de electrones. Esta pila presenta una
diferencia de potencial de 1,07 a 1,14 V entre sus electrodos. Su gran
ventaja respecto a otras de su tiempo fue la constancia del voltaje
generado, debido a la elaborada configuración, que facilita la despolarización, y a la reserva de electrolito, que permite mantener su concentración durante más tiempo.
La pila Grove (1839) utiliza como despolarizador el ácido nítrico HNO3. Su fuerza electromotriz es de 1,9 a 2,0 V. Originariamente utilizaba platino para
el ánodo, pero Cooper y Bunsen lo sustituyeron luego por carbón. El
cátodo era de cinc tratado con mercurio. Fue muy apreciada por su
estabilidad y su mayor energía, a pesar del gran inconveniente que
representa la emisión de humos corrosivos. El propio Grove elaboró, ese
mismo año, una pila que producía energía eléctrica por medio de la
recombinación de hidrógeno y de oxígeno, lo que constituye el precedente
de los generadores contemporáneos conocidos como pilas de combustible.
La pila Leclanché, diseñada por Georges Leclanché en 1868, utiliza una solución de cloruro amónico en la que se sumergen electrodos de cinc y de carbón, rodeado éste último por una pasta de dióxido de manganeso y
polvo de carbón como despolarizante. Suministra una tensión de 1,5 V y
su principal ventaja es que se almacena muy bien, pues el cinc no es
atacado más que cuando se extrae corriente del elemento.
Este
tipo de pila sirvió de base para el importante avance que constituyó la
pila denominada seca, al que pertenecen prácticamente todas las
utilizadas hoy. Los tipos hasta ahora descritos eran denominados
húmedos, pues contenían líquidos, que no sólo hacían inconveniente su
transporte, sino que solían emitir gases peligrosos y olores
desagradables. Las pilas secas, en cambio, estaban formadas por un
recipiente cilíndrico de cinc, que era el polo negativo, relleno de una
pasta electrolítica, y por una barra de carbón en el centro (electrodo
positivo), todo ello sellado para evitar fugas. Previamente se había
realizado otro tipo de pilas secas, como la de Zamboni (1812),
pero eran dispositivos puramente experimentales, que no proporcionaban
ninguna corriente útil. La sequedad es relativa, en primer lugar porque
un elemento rigurosamente seco no suministraría electricidad alguna, de
modo que lo que se encuentra en el interior de las pilas es una pasta o
gel, cuya humedad se procura por todos los medios conservar, pero además
porque el uso y el paso del tiempo tienden a corroer el contendedor, de
modo que la pila puede verter parte de su eléctrico al exterior, donde
puede atacar a otros metales. Por esta razón se recomienda extraerlas
cuando no se utilizan durante mucho tiempo o cuando ya han trabajado
mucho. Este inconveniente está muy atenuado en los productos de finales
del siglo XX gracias a la utilización de recipientes de acero
inoxidable, pero todavía se produce alguna vez.
Importantes en otro sentido han sido las pilas patrón, destinadas a usos de calibración y determinación de unidades, como la pila Clark (1870), de cinc y mercurio, cuya tensión era de 1,457 V, y la pila Weston (1891),
de cadmio y mercurio, con 1,018 V. Estas tensiones se miden en vacío,
es decir, sin tener ninguna carga externa conectada, y a una temperatura
constante de 20 ºC. =
Tipos de acumuladores por su naturaleza interna
Por
lo que a su naturaleza interna se refiere, características
eléctroquímicas, se encuentran habitualmente en el comercio pilas de los
tipos que se detallan a continuación.
Pila común
Las pilas secas, de zinc-carbono o
pilas comunes están formadas por un recipiente cilíndrico de cinc, que
es el polo negativo, relleno de una pasta electrolítica, y por una barra
de carbón en el centro (electrodo positivo), todo ello sellado para
evitar fugas.
- Ventajas
- No se descargan si no están en uso.
- Desventajas
- Una pila puede llegar a contaminar 3 000 litros de agua
Pilas alcalinas
En 1866, Georges Leclanché inventa en Francia la pila Leclanché, precursora de la pila seca (cinc-dióxido
de manganeso), sistema que aún domina el mercado mundial de las
baterías primarias. Las pilas alcalinas (de «alta potencia» o «larga
vida») son similares a las de Leclanché, pero, en vez de cloruro de amonio, llevan cloruro de sodio o de potasio. Duran más porque el cinc no
está expuesto a un ambiente ácido como el que provocan los iones de
amonio en la pila convencional. Como los iones se mueven más fácilmente a
través del electrolito, produce más potencia y una corriente más
estable.
Las
pilas secas alcalinas son similares a las pilas secas comunes, con las
excepciones de que el electrolito es básico (alcalino), porque contiene
KOH y la superficie interior del recipiente de Zn es áspera; esto
proporciona un área de contacto mayor.
El ánodo está compuesto de una pasta de cinc amalgamado con mercurio (total 1%).
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