La química es un arte "Me lo contaron y lo olvidé, lo vi y lo entendí, lo hice y lo aprendí"

lunes, 2 de mayo de 2011

La pila química

INTRODUCCIÓN
Las baterías o pilas como comúnmente se les conoce, tiene más de 200 años de existencia, desde su primer modelo primitivo hasta lo modernos productos que existen en la actualidad, como pilas alcalinas, pilas recargables, etc.
Las baterías no han perdido vigencia tecnológica por el , cada día se perfecciona, ya en la actualidad se habla de sistemas híbridos, de motores de combustión con sistemas de baterías, que pronto serán una realidad en nuestras calles.
Este experimento tiene como propósito ilustrar o sencillo que es una batería, una simple reacción química que produce energía. Pero a su vez dar luces que si la crisis energética se agudiza, pronto deberemos buscar fuentes de energía alternas para no dependar del fósil (petróleo)
Una batería es un electroquímico el cual almacena energía en forma química. Cuando se conecta a un eléctrico, la energía química se transforma en energía eléctrica. Todas las baterías son similares en su construcción y están compuestas por un número de celdas electroquímicas. Cada una de estas celdas está compuesta de un electrodo positivo y otro negativo además de un separador. Cuando la batería se está descargando un cambio electroquímico se está produciendo entre los diferentes materiales en los dos electrodos.  Los electrones son transportados entre el electrodo positivo y negativo vía un circuito externo (bombillas, de arranque etc.)
Lamentablemente como todo lo que es producido por el hombre, tiene residuos contaminantes, los ácidos y materiales pesados contaminan el ambiente, claro que mencionaremos este delicado tema, pero no será parte de análisis en este proyecto.

Alejandro Volta descubrió la pila o columna, a la que inicialmente llamó "órgano eléctrico artificial", estudiando los efectos del galvanismo sobre las ancas de rana.
Volta pensó que lo que el llamó galvanismo era una corriente eléctrica animal. Se le llamó así en honor a Galvani, fundador de la Fisiología nerviosa, el cual estableció dicha corriente uniendo dos metales diferentes por medio de nervios o de músculos de un animal.
En realidad, la corriente galvánica, es una corriente continua (c.c).
Volta construyó la primera pila que nosotros podemos reproducir. (Todos los modelos científicos son reproducibles sin necesidad de extraños conjuros y sin esperar que unas veces salgan y otras no).
Volta apiló discos de igual tamaño de cobre y de cinc, sólo o con estaño, alternados, que llevan intercalados entre cada uno de ellos un paño humedecido. Esta "pila de discos" empieza y termina con discos de diferente tipo.
Conectando con un alambre los discos situados en los extremos logró que fluyera un flujo eléctrico.
Impregnando el paño en determinadas sales la corriente obtenida era mucho mayor.

¡Había descubierto la madre de todas las Pilas!. Esa pila que, evolucionada y de muy diversos tipos, forma hoy parte de nuestra vida diaria.
Recuerda que los componentes metálicos de las pilas contaminan el medio ambiente ¡y que no debemos olvidar reciclarlas!.
Las pilas de mercurio son muy contaminantes.
Siempre RRR: Reducir, Reutilizar, Reciclar.
Vamos a estudiar el funcionamiento de la Pila Daniell –una variante de la de Volta- para entender como se genera electricidad en ella, como logramos sacarle electrones a la materia y como los hacemos circular por un cable.
Este es el montaje que se hace en las prácticas de Química del bachillerato:
La pila Daniell consta de:
Dos placas, electrodos, una de Cu y otra de Zn.
Dos disoluciones: una de sulfato de cobre (II ) y otra de sulfato de Cinc ambas de concentración 0,1 M.
Un puente salino (tubo en U) de nitrato de potasio entre las dos disoluciones. Los extremos del tubo los taponamos con fibra de vidrio.
También puede ponerse una disolución y su electrodo en un vaso poroso (como un tiesto de barro) y éste en un vaso mayor que contenga la otra disolución y su electrodo. El vaso poroso hace la misma función que el puente salino: introduce iones nitrato, e iones potasio en las disoluciones para neutralizarlas.
Funcionamiento
En el vaso de la izquierda se produce la oxidación del Zn que pasa de la placa de cinc a la disolución como catión Zn2+.
Zn ——› Zn2+ + 2e- ; V1= + 0,76 v
Los dos electrones que deja en la placa cada átomo de cinc que pasa a la disolución escapan por el cable exterior hasta la placa de Cu. En la disolución los iones SO4 = y los Zn2+ ya no están en equilibrio ya que ahora hay un exceso de iones Zn2+. Para neutralizarla los iones nitrato del puente salino se introducen en la disolución.

En el vaso de la derecha, cuando los electrones llegan a la placa de Cu, se produce una reducción del Cu+2 de la disolución a Cu metal:
Cu2+ + 2e- ——› Cu ; V2= + 0,33 v
La disolución de sulfato de Cu, inicialmente neutra, tiene ahora un exceso de iones sulfato al haberse depositado el Cu y para neutralizarla pasan a ella los iones K+ del puente salino.
El puente salino se encarga de mantener neutras las dos disoluciones ya que en caso contrario sería imposible la circulación de los electrones. La lámina de Zn pierde masa, y la de Cu la gana.
La reacción global en la pila será una reacción redox:
Zn + Cu2+ ——› Zn2+ + Cu y su potencial 0,76 v + 0,33 v = 1,09 v.
A nosotros nos dio 1,226 v: mucha precisión -tres decimaless- para un polímetro barato y probablemente no muy bien calibrado, pero como se ve en la foto es el dato que hemos obtenido.
En toda pila se producen dos procesos: una reducción y una oxidación simultáneas.
Hemos logrado que por el cable exterior circulen los electrones que hemos sacado de la placa metálica y que al mismo tiempo circulen iones a través de las disoluciones.
Con este circuito cerrado logramos sacar los electrones de la materia y hacerlos circular.

 EXPLICACIONES DE LAS REACCIONES QUIMICAS PRODUCIDAS EN UNA BATERIA
Un ejemplo del funcionamiento de una pila esta descrito por la denominada pila de Daniell que se construye con una lámina de cobre y otra de zinc introducidas en una disolución acuosa de sulfato de cobre. Ambas láminas, llamadas electrodos, se unen mediante un conductor electrónico (por ejemplo un hilo de cobre). En esta situación, los átomos de zinc se oxidan, pierden electrones y pasan a la disolución como iones positivos. Simultáneamente, los iones positivos de cobre que están en la disolución se reducen, ganan electrones y se depositan como átomos de cobre metálico sobre el electrodo de cobre. Las reacciones descritas anteriormente se las representa gráficamente a continuación:
Funcionamiento de la pila de Daniell
Entre las reacciones que se presentan en el cátodo (electrodo con carga positiva), se encuentra la reacción de reducción ya que el cobre gana electrones y la reacción será:

Lo que indica que la barra de cobre gana peso.
En cuanto al la reacción del ánodo (electrodo con carga negativa), se tiene una reacción de oxidación, puesto que el zinc pierde electrones, la reacción que representa este esquema esta descrita por:

Cuál significa que la barra de zinc pierde peso.
Por lo tanto en una pila se está produciendo:
- Una reacción química de oxidación y otra de reducción
- Una corriente eléctrica de 1ª especie o electrónica a través del hilo que une los dos electrodos
- Una corriente eléctrica de 2ª especie o iónica a través de la disolución en la que están sumergidos los electrodos.
Si alguno de estos fenómenos deja de producirse, la pila deja de funcionar. Por ejemplo:
- Si se acaba el Zn o el Cu2+, no puede producirse la oxidación o la reducción. Esto es lo que ocurre cuando se "gasta" una pila.
- Si se abre el circuito electrónico, no puede producirse la corriente electrónica. Es lo que ocurre cuando apagamos el aparato eléctrico que "funciona a pilas"

¿Cómo construir una pila eléctrica en casa?: ¡FUNCIONA! (PR-11)

Una pila es un dispositivo que permite obtener una corriente eléctrica a partir de una reacción química. En esta experiencia te vamos a enseñar a construir una pila casera que, además, funciona.
Material que vas a necesitar:
  • Un vaso
  • Una botella de vinagre
  • Un trozo de tubería de cobre (de las que se usan para las conducciones de agua)
  • Un sacapuntas o afilalápices metálico
  • Cables eléctricos
  • Un aparato que vamos a hacer funcionar con la pila. Se obtienen buenos resultados con los dispositivos musicales que llevan algunas tarjetas de felicitación. También puede servir un reloj despertador de los que funcionan con pilas.
¿Cómo construir la pila?
Toda pila consta de dos electrodos (generalmente dos metales) y un electrolito (una sustancia que conduce la corriente eléctrica). En este caso vamos a utilizar como electrodos los metales cobre y magnesio. En concreto, vamos a utilizar una tubería de cobre y un sacapuntas, cuyo cuerpo metálico contiene magnesio. Como electrolito vamos a utilizar vinagre.
Construir la pila es muy sencillo sólo tienes que introducir los electrodos en el interior del vinagre contenido en un vaso y unir un cable a cada uno de ellos (tal como muestra la figura).pila.jpg (18117 bytes)
Debes tener cuidado de que la tubería de cobre se encuentre bien limpia. Para limpiarla puedes frotarla con un papel de lija.
¿Cómo hacer que funcione?
Para hacerla funcionar sólo tienes que unir los dos cables que salen de los electrodos a un aparato que funcione con pilas. El problema es que esta pila proporciona una intensidad de corriente muy baja, debido a que tiene una alta resistencia interna, por ello no siempre vas a conseguir que funcione. Tienes que elegir el dispositivo adecuado: un aparato que requiera una potencia muy pequeña. Por ejemplo:
  • Un dispositivo de los que tocan una canción en los juguetes para bebés o de los que llevan incorporado algunas tarjetas de felicitación (musicales)
  • Un reloj a pilas (sirve un despertador)
Sólo tienes que unir los cables de la pila a los dos polos del portapilas del aparato. Pero no olvides que hay que buscar cuál es la polaridad correcta, sino puede que el aparato no funcione.
NOTA: Mientras no se utilice, hay que tener el sacapuntas fuera del vinagre para evitar que reaccionen. Observarás que cuando entran en contacto, el magnesio del sacapuntas reacciona con el ácido del vinagre y se desprenden numerosas burbujas. Se trata de gas hidrógeno.
Sigue experimentando
Puedes intentar hacer funcionar otros aparatos con esta pila. Probablemente lo consigas con un pequeño motor eléctrico.
También puedes intentar construir otras pilas utilizando otros metales y otros electrolitos. El problema que vas a encontrar es que la intensidad que obtienes es muy baja y te va a resultar difícil hacer funcionar los aparatos. Pero, si tienes un polímetro (aparato para medir intensidades y diferencias de potencial eléctricas) a mano podrás detectar la corriente obtenida.
 

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