TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II

Transcripción

1 Índice: 1. Electrolisis: Definición Historia Proceso Aplicaciones 2. Pilas Galvánicas Historia Procesos y elementos que las forman. Ejemplos 3. Pilas recargables Carga Composición Tipos 4. Tipos de baterías 1.ELECTRÓLISIS La electrólisis o electrolisis es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. En ella ocurre la captura de electrones por los cationes en el cátodo (una reducción) y la liberación de electrones por los aniones en el ánodo (una oxidación). Historia Fue descubierta accidentalmente en 1800 por Willian Nicholson mientras estudiaba el funcionamiento de las baterías. Entre los años 1833 y 1836 el físico y químico inglés Michael Faraday desarrolló las leyes de la electrólisis que llevan su nombre y acuñó los términos. Proceso Se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos conectados a una fuente de alimentación eléctrica y sumergidos en la disolución Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. Así, los iones negativos, o aniones, son atraídos y se desplazan hacia el ánodo (electrodo positivo), mientras que los iones positivos, o cationes, son atraídos y se desplazan hacia el cátodo (electrodo negativo). Electrodo es el camino por el que van los electrones. Cátodo es el camino por donde caen los electrones. Ánodo es el camino por el que ascienden los electrones. Anión se dirige al ánodo y catión se dirige al cátodo. La nomenclatura se utiliza también en pilas. Una forma fácil también de recordar la terminología es teniendo en cuenta la primer letra de cada electrodo y asociarla al proceso que en él ocurre; es decir: en el ánodo se produce la oxidación (las dos palabras empiezan con vocales) y en el cátodo la reducción (las dos palabras comienzan con consonantes).

2 La energía necesaria para separar a los iones e incrementar su concentración en los electrodos es aportada por la fuente de alimentación eléctrica. En los electrodos se produce una transferencia de electrones entre estos y los iones, produciéndose nuevas sustancias. Los iones negativos o aniones ceden electrones al ánodo (+) y los iones positivos o cationes toman electrones del cátodo (-). En definitiva lo que ocurre es una reacción de oxidación-reducción, donde la fuente de alimentación eléctrica se encarga de aportar la energía necesaria. Electrólisis del agua Si el agua no es destilada, la electrólisis no sólo separa el oxígeno y el hidrógeno, sino los demás componentes que estén presentes como sales, metales y algunos otros minerales Es importante hacer varias consideraciones: Nunca deben unirse los electrodos, ya que la corriente eléctrica no va a conseguir el proceso y la batería se sobrecalentará y quemará. Debe utilizarse siempre corriente continua (energía de baterías o de adaptadores de corriente), nunca corriente alterna (energía del enchufe de la red). La electrólisis debe hacerse de tal manera que los dos gases desprendidos no entren en contacto, de lo contrario producirían una mezcla peligrosamente explosiva (ya que el oxígeno y el hidrógeno resultantes se encuentran en proporción estequiometria. Una manera de producir agua otra vez, es mediante la exposición a un catalizador. El más común es el calor; otro es el platino en forma de lana fina o polvo. El segundo caso debe hacerse con mucho cuidado, incorporando cantidades pequeñas de hidrógeno en presencia de oxígeno y el catalizador, de manera que el hidrógeno se queme suavemente, produciendo una llama tenue. Lo contrario nunca debe hacerse. Aplicaciones de la electrólisis Producción de aluminio, litio,sodio, potasio y magnesio. Producción de hidróxido de sodio, ácido clorhídrico, clorato de sodio y clorato de potasio. Producción de hidrógeno con múltiples usos en la industria: como combustible, en soldaduras, etc. Ver más en hidrógeno diatómico. La electrólisis de una solución salina permite producir hipoclorito (cloro): este método se emplea para conseguir una cloración ecológica del agua de las piscinas. La electrometalurgia es un proceso para separar el metal puro de compuestos usando la electrólisis. Por ejemplo, el hidróxido de sodio es separado en sodio puro, oxígeno puro e hidrógeno puro. La anodización es usada para proteger los metales de la corrosión. La galvanoplastia, también usada para evitar la corrosión de metales, crea una película delgada de un metal menos corrosible sobre otro metal

3 2. PILAS GALVÁNICAS Las pilas (celdas) galvánicas, también son llamadas pilas voltaicas o electro-químicas, son células electro-químicas en las que tiene lugar espontáneamente un proceso de oxidación-reducción que produce energía eléctrica. En 1780, Luigi Galvani descubrió que cuando dos metales diferentes (cobre y zinc, por ejemplo) se ponían en contacto y, a continuación, ambos tocaban diferentes partes de un nervio de un anca de rana, hacían que se contrajesen los músculos de dicha extremidad. Llamó a este fenómeno "electricidad animal" y sirvió de modelo para el diseño de la primera pila eléctrica. Una pila galvánica es un sistema que permite obtener energía a partir de una reacción llamada de oxido reducción. En una pila galvánica se pueden observar dos fenomenos comentados: la oxidación (pérdida de electrones) y la reducción (ganancia de electrones). Estos cambios de valencia implican transferencia de electrones del elemento que se oxida al elemento que se reduce. El diseño constructivo en una pila determina que cada una de estas dos reacciones transcurra en compartimentos independientes llamados electrodos, y el medio que posibilita el transporte interno de carga eléctrica entre ambos, es una sustancia conductora llamada electrolito. Para obtener energía eléctrica es necesario conectar los electrodos de la pila, al aparato que se desee hacer funcionar mediante conductores eléctricos externos: Pila: se denomina pila a un sistema en el que la energía química de una reacción química es transformada en energía eléctrica. Batería: unidad productora de energía eléctrica constituida por varias pilas. Ánodo (-): es el electrodo en donde se produce la oxidación cuando la pila funciona como fuente de energía. Cátodo (+): es el electrodo en donde se produce la reducción cuando la pila funciona como fuente de energía. Circuito externo: el ánodo y el cátodo deben estar conectados, en contacto, para que los electrones circulen del ánodo al cátodo. Electrólito: es el conductor que completa el circuito. Es un líquido que sirve de medio para que los iones metálicos que abandonan el ánodo puedan desplazarse hacia el cátodo. Dos ejemplos son: Pila de hierro y cobre Se introducen dos electrodos de hierro y cobre en sendas disoluciones de concentración 1 mol de sus iones separadas por una membrana semipermeable que deja pasar el disolvente pero no los solutos, con el fin de que la concentración se mantenga. En ella el hierro se corroe mientras el cobre se electro deposita. En la serie electro química el hierro (Fe) tiene un potencial negativo respecto al hidrógeno y uno positivo respecto a el cobre. Las reacciones que tienen lugar son: -Oxidación del hierro del ánodo que se desprende, por tanto, de la barra que se irá

4 corroyendo y pasa a la disolución Fe Fe e - -Reducción del cobre de la disolución que pasa a depositarse sobre el cátodo (electrodepositación): Cu e - Cu -En conjunto: Cu 2+ + Fe Cu + Fe 2+ Pila electroquímica de hierro y zinc Se sustituye la disolución Cu 2+ por otra de Zn 2+. En este caso es Zinc el que cede los electrones y, por tanto, se corroe al desprenderse sus iones positivos que pasan a la disolución. Las reacciones que tienen lugar son: -Oxidación del zinc del ánodo que se desprende, por tanto, de la barra que se irá corroyendo y pasa a la disolución Zn Zn e - -Reducción del cobre de la disolución que pasa a depositarse sobre el cátodo (electrodepositación): Fe e - Fe -En conjunto: Fe 2+ + Zn Fe + Zn 2+ Estos ejemplos indican que un mismo metal unas veces se corroe y otras no, en función de que pareja de electrolitos se pueda formar. Pero, obsérvese que se ha partido de concentraciones 1 mol y con una membrana de separación que hará que las concentraciones de ambos lados permanezcan iguales. Esto en la realidad no es así, la membrana no existe, lo que trae como consecuencia que el voltaje fuera disminuyendo bien por el cambio de concentración de los iones o por el descaste de un electrolito. La influencia en la concentración está dada por la Ley de Nernst. La cantidad de metal depositado en el cátodo es la electrodepositación o el removido por la corrosión. Se determina por la ecuación de Faraday. 3. TIPOS DE PILAS Y BATERÍAS Introducción Pila se denomina a los generadores de electricidad basados en procesos químicos normalmente no reversibles, o acumuladores de energía eléctrica no recargables. Batería se aplica generalmente a los dispositivos electroquímicos semi-reversibles, o acumuladores de energía eléctrica que sí se pueden recargar. BATERIAS Batería, se le denomina al dispositivo que almacena energía eléctrica, usando procedimientos electroquímicos y que posteriormente la devuelve casi en su totalidad; este ciclo puede repetirse por un determinado número de veces. PILAS Una pila eléctrica es un dispositivo que convierte energía química en energía eléctrica por un proceso químico transitorio. Las Pilas y sus tipos: 1. Pilas Salinas Son las primeras que se fabricaron. Tienen menos duración y potencia que las pilas alcalinas pero su contenido tóxico es muy bajo. 2. Pilas Alcalinas La mayoría contienen mercurio y ofrecen mayor duración y potencia que las pilas salinas. No pueden reciclarse pero deben ir a un vertedero especial. 3. Pilas botón de mercurio: Son muy contaminantes y pueden reciclarse para

5 recuperar el mercurio. Pilas botón de litio: Son la alternativa a los botones de mercurio. 4. Pilas Verdes o Ecológicas Pueden ser salinas o alcalinas y se caracterizan por no llevar metales pesados en su composición, como mercurio o cadmio, para aumentar su potencia o duración. 5. Pilas de Níquel-Cadmio Son pilas recargables. Son muy dañinas para el medio ambiente debido principalmente a su contenido en un metal tóxico: el cadmio. 6. Consejos en el uso de las pilas: Conectar, siempre que se pueda, los equipos a la red eléctrica. Intentar usar pilas recargables, ya que tienen mayor vida útil que las no recargables. No tirar las pilas agotadas a la basura. Echarlas en un contenedor de pilas. Optar por usar las pilas verdes, ya que ayudaremos a preservar el medio ambiente. TIPOS DE BATERIAS Por lo que a su naturaleza interna se refiere, se encuentran habitualmente en el comercio acumuladores de los siguientes tipos: Acumulador de plomo (Pb) Está constituido por dos electrodos de plomo, de manera que, cuando el aparato está descargado, se encuentra en forma de sulfato de plomo incrustado en una matriz de plomo metálico (. Este tipo de acumulador se sigue usando aún en muchas aplicaciones, entre ellas en los automóviles. Ventajas: * Bajo coste * Fácil fabricación Desventajas: * No admiten sobrecargas ni descargas profundas, viendo seriamente disminuida su vida útil. * Altamente contaminantes. * Baja densidad de energía * Peso excesivo, al estar compuesta principalmente de plomo Batería alcalina Durante la carga se produce un proceso de oxidación anódica y otro de reducción catódica, transformándose el óxido niqueloso en niquélico y el óxido ferroso en hierro metálico. Esta reacción se produce en sentido inverso durante la descarga. Las pilas alcalinas llevan cloruro de sodio o de potasio. Se utilizan para aparatos complejos y de elevado consumo energético. Baterías alcalinas de manganeso Es una versión mejorada de la pila anterior, en la que se ha sustituido el conductor iónico cloruro de amonio por hidróxido. La cantidad de mercurio empleada para regularizar la descarga es mayor. Esto le confiere mayor duración, más constancia en el tiempo y mejor rendimiento. Por el contrario, su precio es más elevado. Se utiliza en aparatos de mayor consumo como: grabadoras portátiles, juguetes con motor, flashes electrónicos. Desventajas: * Una pila alcalina tiene una alta contaminación * Zinc, manganeso (Mn), bismuto (Bi), cobre (Cu) y plata (Ag): Son sustancias tóxicas, que producen diversas alteraciones en la salud humana. El zinc, manganeso y cobre son esenciales para la vida, en cantidades mínimas, y tóxicos en altas dosis.

6 Baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) Utilizan un cátodo de hidróxido de níquel y un ánodo de un compuesto de cadmio. El electrolito es de hidróxido de potasio. Esta configuración de materiales permite recargar la batería una vez está agotada, para su reutilización. Tienen poca capacidad. Admiten sobrecargas, se pueden seguir cargando cuando ya no admiten mas carga, aunque no la almacena. Baterías de níquel-hidruro metálico (Ni-MH) Utilizan un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de una aleación de hidruro metálico. Este tipo de baterías se encuentran menos afectadas por el llamado efecto memoria. No admiten bien el frío extremo, reduciendo la potencia eficaz que puede alcanzar. Efecto de memoria bajo PILAS RECARGABLES Pilas recargables es un grupo de una o más celdas electroquímicas secundarias. Las baterías recargables usan reacciones electroquímicas que son eléctricamente reversibles, es decir: Cuando la reacción transcurre en un sentido, se agotan los materiales de la pila mientras se genera una corriente eléctrica. Para que la reacción transcurra en sentido inverso, es necesaria una corriente eléctrica para regenerar los materiales consumidos. Las baterías recargables vienen en diferentes tamaños y emplean diferentes combinaciones de productos químicos. Las celdas secundarias ("batería recargable") utilizadas con más frecuencia son las de plomo-ácido, la de níquel-cadmio la de níquel-metal hidruro (NiMH), la de iones de litio, y la de polímero de iones de litio Las baterías recargables pueden ofrecer beneficios económicos y ambientales en comparación con las pilas desechables. Algunos tipos de baterías recargables están disponibles en los mismos tamaños que los tipos desechables. Aunque las pilas recargables tienen un mayor costo inicial, pueden ser recargadas muchas veces. La selección adecuada de una batería recargable puede reducir los materiales tóxicos desechados en los vertederos, frente a una serie equivalente de pilas de un sólo uso. Por ejemplo, los fabricantes de baterías o pilas recargables de NiMH proclaman una vida de servicio de ciclos de carga/descarga para sus baterías CARGA Y DESCARGA Durante la carga, el material activo del electrodo positivo se oxida, liberando electrones, y el material del electrodo negativo es reducido, captando dichos electrones. Estos electrones constituyen el flujo de corriente eléctrica que atraviesa el circuito externo. El electrolito puede servir como un simple medio de transporte para el flujo de iones entre los electrodos, como en el caso de la batería de iones de litio y la batería de níquel-cadmio, o puede ser un participante activo en la reacción electroquímica, como en la batería de plomo-ácido. La energía utilizada para cargar las baterías recargables en su mayoría proviene de corriente alterna de la red eléctrica, utilizando un adaptador. La mayoría de los cargadores de baterías pueden tardar varias horas para cargar una batería. La mayoría de las baterías pueden ser cargadas en mucho menos tiempo de lo que emplean los cargadores de baterías más comunes y simples. Sin embargo, las altas tasas de carga causarán

7 daño a largo plazo en las baterías recargables de NiMH y en la mayoría de las otras. Las baterías recargables son susceptibles a daños debido a recarga inversa (inversión de los polos) si están completamente descargadas. Además, el intento de recargar las pilas o baterías no recargables conlleva una pequeña posibilidad de causar una explosión de la pila. Las baterías de flujo, que no son utilizados habitualmente por los consumidores, se recargan mediante la sustitución del líquido electrolito. La recarga inversa daña las pilas, y se produce cuando una batería recargable se recarga con la polaridad invertida. La recarga inversa se puede producir en una serie de circunstancias, siendo las tres más comunes las siguientes: -Cuando la batería está incorrectamente insertada en el cargador, con los polos al revés. -Cuando un cargador de baterías de tipo automoción está conectado a la inversa a los terminales de la batería. Esto suele ocurrir cuando se está cargando una batería completamente descargada, de lo contrario se producirán chispas. -Cuando las celdas están conectadas en serie y muy descargadas. COMPOSICION Las pilas alcalinas, están compuestas por dióxído de manganeso y zinc, y las comunes por zinc y carbono. Las pilas se componen, en general, de celdas electrolíticas que contiene dos placas de metales distintos (Cátodo y ánodo) separadas entre sí por una solución iónica (medio conductor de electrones entre ambas placas). Estas celdas se encuentran en un recipiente metálico o plástico. Para separar los elementos activos contienen papel o cartón, además presentan plomo o cadmio para mejorar la construcción, o mercurio para limitar la corrosión. La función del mercurio en las pilas es la de almacenar las impurezas contenidas en las materias primas, que generan gases, y que pueden perjudicar el funcionamiento y la seguridad de la pila. Pero el mercurio, plomo y el cadmio no son los únicos elementos tóxicos para el medioambiente en las pilas y baterías. Dependiendo del tipo de pila, ésta puede además contener zinc, manganeso y níquel. Trabajo realizado por: Alejandro López, Raúl Soto, Sergio Escribano y Álvaro Pérez.