Pilas y baterías comerciales
A menudo, los objetos de uso común y cotidiano necesitan dispositivos que suministren la corriente eléctrica necesaria para su correcto funcionamiento. Dichos dispositivos reciben el nombre de pilas o baterías. La pila más sencilla y también la más económica es la llamada, pila seca. Existen muchos otros tipos, más sofisticados como las baterías de mercurio, las alcalinas, las de óxido de plata o litio, etc. Incluso hay pilas que poseen la particularidad de ser recargables, como puede ser la batería de níquel-cadmio, o los llamados acumuladores de plomo que se colocan en los coches.
En un principio, cualquier reacción de oxidación-reducción puede utilizarse como base para poder construir una pila; pero si embargo, en la mayoría de los casos existen limitaciones de orden práctico que impide la utilización comercial. Una pila no puede, o más bien, no debe, contener sustancias peligrosas, debe ser de poco peso y de fácil transporte, además su período de utilización debe ser lo más razonablemente largo posible. Una pila debe dar una diferencia de potencial aproximadamente constante, aunque no existen restricciones en cuando a su valor, pues es probable poder conseguir voltajes mayores conectando varias pilas entre sí, es decir, realizando una serie (batería).
La pila seca es de más usadas; proporciona un voltaje de 1,5 V y se usa en linternas, radios, y pequeños electrodomésticos. Su cátodo está formado por una barra de grafito cubierta de MnO2, mientras su ánodo es el mismo recipiente de la pila, el cual es de zinc. Los dos electrodos se encuentran separados por un electrólito formado por una pasta húmeda constituida por cloruro de zinc y cloruro amonio. En la pila seca no existen disoluciones (como ocurre en la pila Daniell), y es por ello que se le dio el nombre de pila seca. Las reacciones que suceden en los electrodos pueden describirse de una manera simplificada de la siguiente forma:
-En el ánodo (negativo): Zn → Zn^2+ + 2e-
-En el cátodo (positivo): 2 MnO2 (s) + H2O + 2e- → Mn2O3 (s) + 2 OH-
El lado problemático de la pila seca es la corrosión. El ánodo es una barra de zinc, el cual se deteriora lentamente debido a la cierta acidez que presenta el electrólito
(NH4Cl), lo que hace que la pila pueda descargarse incluso sin ser utilizada.
Similares a las pilas secas podemos encontrar a las pilas alcalinas. Su ánodo es una barra de cinc y el cátodo de MnO2, su recipiente es de acero y el electrólito ha sido cambiado por una sustancia gel de hidróxido potásico. Las pilas alcalinas son conocidas por su larga durabilidad y además pueden ser utilizadas a temperaturas más cambiantes, pues su rango de temperatura es mayor. Son bastante compactas, pues no necesitan tanta cantidad de electrólito y, al igual que ocurre en las pilas secas, suministran una diferencia de potencial de 1,5 voltios.
La gran mayoría de las pilas deben ser desechadas al agotarse. Sin embargo, existen otro tipo de baterías que pueden ser recargadas de manera repetida, y por lo tanto, admiten un uso mucho más prolongado. Un típico ejemplo viene constituido por los acumuladores de los automóviles. Un acumulador de plomo contiene dos electrodos de plomo a modo de parrilla, dispuesto de forma paralela. Uno de ellos se encuentra recubierto de plomo esponjoso, y forma el ánodo, mientras que el otro, el cátodo, se encuentra recubierto de PbO2. Los dos electrodos se encuentran sumergidos en un electrólito de ácido sulfúrico con una pureza del 38%. Las reacciones que tienen lugar en estos electrodos son:
-En el ánodo (negativo): Pb(s) + SO2-4 → PbSO4 (s) + 2e-
-En el cátodo (positivo): PbO2 (s) +4H+ + SO2-4 + 2e- → PbSO4 (s) + 2 H2O
Cuando el acumulador de plomo se encuentra en funcionamiento, el plomo de la parrilla del ánodo se oxida a iones Pb2+ , los cuales en presencia de iones SO2-4 del electrólito, precipitan en forma de PbSO4 sobre las láminas. En el cátodo, el óxido de plomo se reduce a iones de Pb2+, los cuales también precipitan como PbSO4. Es decir, en ambos electrodos se forma sulfato de plomo y se consume ácido sulfúrico. El acumulador de plomo es recargable, y en este caso, es posible invertir el sentido de la reacción haciendo pasar una corriente atravesando el acumulador, con lo cual se consigue regenerar la composición de los electrodos. En el proceso de carga, el PbSO4 se reduce en uno de los electrodos a Pb(s) y se oxida a PbO2 en el otro, siguiendo la reacción:
PbP2 (s) + Pb (s) + 2 H2SO4 ( ac) ↔ 2 PbSO4 (s) + 2H2O (l)
El potencial que posee una pila sencilla de plomo es aproximadamente de 2,0 V. Cuando se conectan en serie varias de ellas, formando una batería, se puede alcanzar un voltaje notablemente superior. En el caso de los automóviles, se conectan en torno a 6 pilas en serie, lo que puede general una diferencia de potencial de unos 12V.