Pila eléctrica

Pila eléctrica Dispositivo electroquímico el cual almacena energía en forma química. Cuando se conecta a un circuito eléctrico, la energía química se transforma en energía eléctrica.

Pila eléctrica es un dispositivo que convierte la energía química en eléctrica. Todas las pilas están formadas por un electrolito (que puede ser líquido, solidó o pastoso), un electrodo positivo y otro negativo. El electrolito es un conductor iónico; mientras que un electrodo genera electrones y el otro los acepta. Al conectar los electrodos al circuito que se quiere alimentar, se produce una corriente eléctrica. Las pilas se dividen en primarias o voltaicas, en las que la reacción química no se puede invertir (no recargables) y secundarias o acumuladores, en las cuales la reacción es reversible y se puede llevar a su estado original (recargables), pasando una corriente eléctrica a través del circuito en sentido opuesto al flujo de electrones normal de la pila.

Durante los últimos años se han desarrollado las pilas solares que producen electricidad mediante un proceso de conversión fotoeléctrica. La fuente de electricidad es una sustancia semiconductora fotosensible, como un cristal de silicio al que se le han añadido impurezas. Cuando la luz incide sobre el cristal, los electrones de la superficie se liberan dirigiéndose a la superficie opuesta donde se distribuyen. Las pilas solares tienen una vida muy larga y se utilizan sobre todo en los aviones y vehículos espaciales como fuente de electricidad.

Mecanismo de reacciones en una pila

Al introducir un metal más activo que el hidrógeno en una disolución ácida ocurrirá una reacción redox: el metal se oxidará, pasando sus iones al seno de la disolución y los iones hidrógenos se reducirán sobre la superficie del metal desprendiéndose hidrógeno gaseoso. Si en dicha disolución se introduce otro metal menos activo y ambos se conectan por medio de un conductor metálico, parte de los electrones, producidos por la oxidación del metal más activo circularán a través del conductor hacia el metal menos activo y en su superficie se reducirán buena parte de los iones hidrógenos. El flujo de electrones a través del conductor constituye una corriente eléctrica y puede emplearse para realizar un trabajo como encender un bombillo; alimentar una resistencia; efectuar una electrolisis.

Tipos de pila

• Pila primaria la más común es la pila Leclanché o pila seca, inventada por el químico francés Georges Leclanché en la década de 1860. La pila seca que se utiliza hoy es muy similar al invento original. El electrolito es una pasta consistente en una mezcla de cloruro de amonio y cloruro de zinc. El electrodo negativo es de zinc, igual que el recipiente de la pila, y el electrodo positivo es una varilla de carbono rodeada por una mezcla de carbono y dióxido de manganeso. Esta pila produce una fuerza electromotriz de unos 1,5 voltios.

Otra pila primaria muy utilizada es la pila de zinc-óxido de mercurio, conocida normalmente como batería de mercurio. Puede tener forma de disco pequeño y se utiliza en audífonos, células fotoeléctricas y relojes de pulsera eléctricos. El electrodo negativo es de zinc, el electrodo positivo de óxido de mercurio y el electrolito es una disolución de hidróxido de potasio. La batería de mercurio produce 1,34 V, aproximadamente.

La pila de combustible es otro tipo de pila primaria. Se diferencia de las demás en que los productos químicos no están dentro de la pila, sino que se suministran desde fuera.

• Pila secundaria 0 acumulador, que puede recargarse invirtiendo la reacción química, fue inventado en 1859 por el físico francés Gastón Planté. La pila de Planté era una batería de plomo y ácido, y es la que más se utiliza en la actualidad. Esta batería, que contiene de tres a seis pilas conectadas en serie, se usa en automóviles, camiones, aviones y otros vehículos. Su ventaja principal es que puede producir una corriente eléctrica suficiente para arrancar un motor; sin embargo, se agota rápidamente.

El electrolito es una disolución diluida de ácido sulfúrico, el electrodo negativo es de plomo y el electrodo positivo de dióxido de plomo. En funcionamiento, el electrodo negativo de plomo se disocia en electrones libres e iones positivos de plomo. Los electrones se mueven por el circuito eléctrico externo y los iones positivos de plomo reaccionan con los iones sulfato del electrolito para formar sulfato de plomo.

Cuando los electrones vuelven a entrar en la pila por el electrodo positivo de dióxido de plomo, se produce otra reacción química. El dióxido de plomo reacciona con los iones hidrógeno del electrolito y con los electrones formando agua e iones de plomo; estos últimos se liberarán en el electrolito produciendo nuevamente sulfato de plomo.

Un acumulador de plomo y ácido se agota porque el ácido sulfúrico se transforma gradualmente en agua y en sulfato de plomo. Al recargar la pila, las reacciones químicas descritas anteriormente se invierten hasta que los productos químicos vuelven a su condición original. Una batería de plomo y ácido tiene una vida útil de unos cuatro años. Produce unos 2 V por pila. Recientemente, se han desarrollado baterías de plomo para aplicaciones especiales con una vida útil de 50 a 70 años.

Otra pila secundaria muy utilizada es la pila alcalina o batería de níquel y hierro, ideada por el inventor estadounidense Thomas Edison entorno a 1900. El principio de funcionamiento es el mismo que en la pila de ácido y plomo, pero aquí el electrodo negativo es de hierro, el electrodo positivo es de óxido de níquel y el electrolito es una disolución de hidróxido de potasio. La pila de níquel y hierro tiene la desventaja de desprender gas hidrógeno durante la carga. Esta batería se usa principalmente en la industria pesada. La batería de Edison tiene una vida útil de unos diez años y produce 1,15 V, aproximadamente.

Otra pila alcalina similar a la batería de Edison es la pila de níquel y cadmio o batería de cadmio, en la que el electrodo de hierro se sustituye por uno de cadmio. Produce también 1,15 V y su vida útil es de unos 25 años.

• Pilas solares producen electricidad por un proceso de conversión fotoeléctrica. La fuente de electricidad es una sustancia semiconductora fotosensible, como un cristal de silicio al que se le han añadido impurezas. Cuando la luz incide contra el cristal, los electrones se liberan de la superficie de éste y se dirigen a la superficie opuesta. Allí se recogen como corriente eléctrica.

Las pilas solares tienen una vida muy larga y se utilizan sobre todo en los aviones, como fuente de electricidad para el equipo de a bordo.

• Pilas tipo Leclanché, o de Zinc/Carbono (ZN/C), O "Pilas secas" Basadas en la oxidación del zinc en medio ligeramente ácido, están compuestas por zinc metálico, cloruro de amonio y dióxido de manganeso. Son las llamadas pilas comunes. Sirven para aparatos sencillos y de poco consumo.

• Pilas alcalinas o DE Zinc/Dióxido de Manganeso (ZN/MNO2) La diferencia con la pila seca es el electrolito utilizado, en este caso, hidróxido de potasio, en vez de cloruro de amonio, y el zinc está en polvo. Son las de larga duración. Casi todas vienen blindadas, lo que dificulta el derramamiento de los constituyentes. Sin embargo, este blindaje tiene una vida muy larga pero su duración no es ilimitada

• Pilas de Níquel/Cadmio (NI/CD) Están basadas en un sistema formado por hidróxido de níquel, hidróxido de potasio y cadmio metálico. Poseen ciclos de vida múltiples, presentando la desventaja de su relativamente baja tensión. Pueden ser recargadas hasta 1000 veces y alcanzan a durar decenas de años. No contienen mercurio, pero el cadmio es un metal con características tóxicas.

• Pilas botón Son llamadas así, las pilas de tamaño reducido, de forma chata y redonda. El mercado de artículos electrónicos requiere cada vez más de ellas. Son imprescindibles para audífonos, marcapasos, relojes, calculadoras y aparatos médicos de precisión. Su composición es variada.

• Pilas de Óxido Mercúrio Son las más tóxicas, contienen un 30 % aprox. de mercurio. Deben manipularse con precaución en los hogares, dado que su ingestión accidental, lo que es factible por su forma y tamaño, puede resultar letal.

• Pilas de Zinc-Aire Se las distingue por tener gran cantidad de agujeros diminutos en su superficie. Tienen mucha capacidad y una vez en funcionamiento su producción de electricidad es continua. Contienen más del 1 % de mercurio, por lo que presentan graves problemas residuales.

• Pilas de Níquel/Hidruro metálico (NI/MH) Son pilas secundarias como las de níquel/cadmio, pero donde el cadmio ha sido reemplazado por una aleación metálica capaz de almacenar hidrógeno, que cumple el papel de ánodo. El cátodo es óxido de níquel y el electrolito hidróxido de potasio.

La densidad de energía producida por las pilas Ni/MH es el doble de la producida por las Ni/CD, a voltajes operativos similares, por lo que representan la nueva generación de pilas recargables que reemplazará a estas últimas.

• Pilas de Óxido de Plata Son de tamaño pequeño, usualmente de tipo botón. Contienen 1 % de mercurio aproximadamente por lo que tienen efectos tóxicos sobre el ambiente.

• Pila de combustible Mecanismo electroquímico en el cual la energía de una reacción química se convierte directamente en electricidad. A diferencia de la pila eléctrica o batería, una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada; funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados desde fuera de la pila.

Una pila de combustible consiste en un ánodo en el que se inyecta el combustible - comúnmente hidrógeno, amoníaco o hidracina - y un cátodo en el que se introduce un oxidante - normalmente aire u oxígeno. Los dos electrodos de una pila de combustible están separados por un electrolito iónico conductor. En el caso de una pila de combustible de hidrógeno-oxígeno con un electrolito de hidróxido de metal alcalino, la reacción del ánodo es 2H2 + 4OH- + 4H2O + 4e- y la reacción del cátodo es O2 + 2H2O + 4e- + 4OH-.

Los electrones generados en el ánodo se mueven por un circuito externo que contiene la carga y pasan al cátodo. Los iones OH- generados en el cátodo son conducidos por el electrolito al ánodo, donde se combinan con el hidrógeno y forman agua. El voltaje de la pila de combustible en este caso es de unos 1,2 V pero disminuye conforme aumenta la carga. El agua producida en el ánodo debe ser extraída continuamente para evitar que inunde la pila. Las pilas de combustible de hidrógeno-oxígeno que utilizan membranas de intercambio iónico o electrólitos de ácido fosfórico fueron utilizadas en los programas espaciales Gemini y Apolo respectivamente. Las de ácido fosfórico tienen un uso limitado en las instalaciones eléctricas generadoras de energía.

Composición de las pilas más comunes

• Zinc/Carbono: son las pilas llamadas comunes o especiales para linterna, contienen muy poco Mercurio, menos del 0,01%. Esta compuesta por Carbono, Zinc, Dióxido de Manganeso y Cloruro de Amoníaco. Puede contaminar 3.000 litros de agua por unidad.
• Alcalinas (Manganeso): son mas recientes que las anteriores. Su principio activo es un compuesto alcalino (Hidróxido Potasio). Su duración es 6 veces mayor que las Zinc/Carbono. Esta compuesta por Dióxido de Manganeso, Hidróxido de Potasio, pasta de Zinc amalgamada con Mercurio (total 1%), Carbón o Grafito. Una sola pila alcalina puede contaminar 175.000 litros de agua (mas de lo que puede consumir un hombre en toda su vida).
• Mercurio: Fue la primer pila que se construyo del tipo micropila o botón. Exteriormente se construyen de acero y consta de un electrodo de Oxido de Mercurio con polvo de Grafito, el electrolito esta compuesto de Hidróxido de Potasio embebido en un material esponjoso absorbente y pasta de Zinc disuelto en Mercurio. Contiene entre un 25 y un 30% de Mercurio. Esta micropila puede contaminar 600.000 litros de agua.
• Níquel/Cadmio: Esta pila tiene la forma de la pila clásica o alcalina, pero tiene la ventaja que se puede recargar muchas veces. Esta constituida por Níquel laminado y Cadmio separado por nylon o polipropileno, todo arrollado en espiral. No contiene Mercurio. Sus residuos son peligrosos para el medio ambiente, principalmente por la presencia del Cadmio.

Pila voltaica

Una pila voltaica aprovecha la electricidad de una reacción química espontánea para encender una bombilla (foco). Las tiras de zinc y cobre, dentro de disoluciones de ácido sulfúrico diluido y sulfato de cobre respectivamente, actúan como electrodos. El puente salino (en este caso cloruro de potasio) permite a los electrones fluir entre las cubetas sin que se mezclen las disoluciones. Cuando el circuito entre los dos sistemas se completa (como se muestra a la derecha), la reacción genera una corriente eléctrica. Obsérvese que el metal de la tira de zinc se consume (oxidación) y la tira desaparece. La tira de cobre crece al reaccionar los electrones con la disolución de sulfato de cobre para producir metal adicional (reducción). Si se sustituye la bombilla por una batería la reacción se invertirá, creando una célula electrolítica.

Pila casera o pila de Daniell

Se necesita un frasco de cristal de boca ancha, un trozo de tubería de cobre que esté limpia, una tira de zinc o un sacapuntas metálico, dos cables eléctricos, un vaso de vinagre, un LED (diodo emisor de luz), que es como una bombilla muy pequeñita, parecida a las que iluminan algunos árboles de navidad, un reloj despertador o cualquier otro aparato que funcione con pilas.

A continuación se prepara el experimento:

• Se llena el frasco de cristal con vinagre.
• Con un extremo de uno de los cables, se conecta el sacapuntas o tira de zinc y con un extremo del otro cable, se conecta la tubería de cobre. Se introducen ambos elementos en el frasco con vinagre.
• Los extremos libres de los dos cables se conectan bien a cada Terminal del LED o bien a los dos polos de la porta pilas del aparato. Conectar la polaridad, en el caso del reloj, de forma correcta. El polo positivo con la tubería de cobre y el negativo al sacapuntas o tira de zinc.
• ¿Qué ocurre con el LED?

Explicación: Las pilas tienen dos electrodos que suelen ser dos metales (en nuestro caso la tira de zinc o el magnesio del sacapuntas y el cobre de la tubería) y un electrolito, que es la sustancia que permite conducir la corriente eléctrica (en nuestro caso es el vinagre). La pila que estamos fabricando tiene una intensidad de corriente muy baja por lo que sólo podemos hacer funcionar algo que requiera una potencia muy pequeña, como es el caso del LED.

Fuente

• Pérez Sanfiel, Francisco. (2008). Ciencia por doquier. La Habana: Editorial Gente Nueva.
• http://www.monografias.com/trabajos26/la-pila/la-pila.shtml
• http://es.wikipedia.org/wiki/Pila_%28electricidad%29
• http://www.terra.es/personal/lermon/cat/articles/evin0349.htm
• http://labquimica.wordpress.com/page/8/