PILAS

Dispositivo, generalmente pequeño, en el que la energía química se transforma en eléctrica. Tiene múltiples aplicaciones como fuente de energía en pequeños aparatos, clasificándose en primarias y secundarias.

Cuando se habla de una pila primaria se dice que el proceso de conversión de la energía química en energía eléctrica no es reversible, por que los electrodos y las sustancias que se electrolizan no pueden ser regeneradas mediante procesos reversibles

Dentro de las pilas primarias tenemos:

- Pilas Galvánicas o de Volta

- Pila de Daniell

- Pila seca o de Leclanché

- Pilas solares

- Pilas de combustible

- Pilas electrolíticas

a) Pilas Galvánicas o de Volta:

Primer generador de corriente eléctrica continua fabricado hacia 1800 por el físico italiano Alessandro Volta. Consiste en un cilindro o pila formado por varios discos de metales diferentes, colocados alternativamente y separados por otros discos de cartón empapados en una disolución de agua salada. Un hilo metálico que une el último disco metálico con el primero conduce una corriente eléctrica.

Volta construyó la primera pila, según su propia descripción, preparando cierto número de discos de cobre y de zinc junto con discos de cartón empapados en una disolución de agua salada. Después apiló estos discos comenzando por cualquiera de los metálicos, por ejemplo uno de cobre, y sobre éste uno de zinc, sobre el cual colocó uno de los discos mojados y después uno de cobre, y así sucesivamente hasta formar una columna o pila. Al conectar unas tiras metálicas a ambos extremos consiguió obtener chispas.

En la pila de Volta se produce una reacción electroquímica en la que el cobre cede electrones a la disolución y el zinc los gana. Al mismo tiempo, el zinc se disuelve y se produce gas hidrógeno en la superficie del cobre, el hidrógeno producido en la reacción queda adherido a la superficie del cobre, haciendo disminuir rápidamente la intensidad de corriente. Este fenómeno recibe el nombre de polarización del electrodo y se evita con la utilización de una sustancia oxidante que reacciona con el hidrógeno formando agua y se denomina agente despolarizante.

b) Pila de Daniell

Debido al inconveniente de la rápida disminución de la intensidad de la pila de Volta, Daniell ideó una pila capaz de producir corriente eléctrica durante un tiempo respetable.

Está constituida por un electrodo de zinc sumergido en una disolución de sulfato de zinc y por un electrodo de cobre introducido en una disolución de sulfato de cobre (II). Ambas se hayan separadas por un vaso poroso donde se coloca el cobre y la disolución de sulfato de cobre (II), quedando el zinc y la disolución de sulfato de zinc en el interior del vaso, es así como el electrodo donde se produce la oxidación se llama ánodo y el que corresponde a la reducción cátodo, en el electrodo de zinc se produce espontáneamente la oxidación y en el electrodo de cobre la reducción.

El fenómeno se produce porque tiene lugar una reacción de oxidación-reducción en recipientes separados.

Los electrones que se transfieren viajan por el circuito exterior dando lugar a una corriente eléctrica y la reacción global que tiene lugar es:

Zn_(s) + Cu⁺² (aq)------->Zn⁺² (aq) + Cu_(s)

c) Pila seca o de Leclanché:

La pila primaria 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 cinc. El electrodo negativo es de cinc, 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.

Las pilas de petaca están constituidas por 3 pilas Leclanché conectadas en series que producen una fuerza electromotriz de 4,5 voltios.

Las pilas secas alcalinas son de diversos tipos:

La pila seca zinc manganeso está constituida por 2 electrodos, uno de zinc y otro de MnO₂, en medio alcalino y permite mayor diferencia de potencial y duración que la pila Leclanché.

La pila seca alcalina Zn-HgO se utiliza como pila de referencia, ya que su potencial se mantiene constante durante largos períodos de tiempo siempre que se trabaje con bajas intensidades.

La pila seca alcalina Cd-HgO presenta la ventaja adicional de que sus electrodos tan sólo reaccionan al descargarse, por lo que su duración es excepcionalmente larga. Cuando no e utiliza puede llegar a durar hasta 10 años.

d) Pilas solares:

Las 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.

e) Pilas 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- → 4H 2O + 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 electrólito 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.

Actualmente se están desarrollando las pilas de combustible con electrólitos de carbonato fundido. El electrolito es sólido a temperatura ambiente, pero a la temperatura de operación (650 a 800 °C), es un líquido con iones carbonato conductores. Este sistema tiene la ventaja de utilizar monóxido de carbono como combustible, por lo que pueden utilizarse como combustible mezclas de monóxido de carbono e hidrógeno como las que se producen en un gasificador de carbón.

También se están desarrollando pilas de combustible que emplean dióxido de circonio sólido como electrólito. Estas pilas se llaman pilas de combustible de óxido sólido. El dióxido de circonio se convierte en un conductor iónico a unos 1.000 °C. Los combustibles más adecuados son el hidrógeno, el monóxido de carbono y el metano, y al cátodo se le suministra aire u oxígeno. La elevada temperatura de operación de las pilas de combustible de óxido sólido permite el uso directo de metano, un combustible que no requiere catalizadores costosos de platino sobre el ánodo. Las pilas de combustible de óxido sólido tienen la ventaja de ser relativamente insensibles a los contaminantes del combustible, como los compuestos de azufre y nitrógeno que empeoran el rendimiento de otros sistemas de combustible.

La temperatura relativamente elevada de operación de las pilas de combustible de carbonato fundido y óxido sólido facilitan la eliminación en forma de vapor del agua producida por la reacción. En las pilas de combustible de baja temperatura se deben tomar medidas para eliminar el agua líquida de la cámara del ánodo.

f) Pilas electrolíticas

En las pilas electrolíticas se requiere de una fuente externa de electricidad para producir una reacción química que no ocurre espontáneamente como en las pilas galvánicas. Si la reacción que ocurre espontáneamente en una pila galvánica es reversible, ésta se puede convertir en una pila electrolítica. Siendo para ello necesario introducir una fuente de energía eléctrica externa, que permita forzar a los electrones a circular en la dirección opuesta a través de un conductor externo.