Hasta ahora en nuestras discusiones sobre electricidad y circuitos eléctricos , no hemos discutido en detalle cómo funcionan las baterías. Más bien, simplemente hemos asumido que producen voltaje constante a través de algún tipo de proceso misterioso. Aquí, exploraremos ese proceso hasta cierto punto y cubriremos algunas de las consideraciones prácticas involucradas con baterías reales y su uso en sistemas de energía.
En el primer capítulo de este libro, se discutió el concepto de un átomo , así como el componente básico de todos los objetos materiales. Los átomos, a su vez, están compuestos de piezas de materia aún más pequeñas llamadas partículas . Los electrones, protones y neutrones son los tipos básicos de partículas que se encuentran en los átomos. Cada uno de estos tipos de partículas juega un papel distinto en el comportamiento de un átomo. Si bien la actividad eléctrica implica el movimiento de los electrones, la identidad química de un átomo (que determina en gran medida la conductividad del material) está determinada por el número de protones en el núcleo (centro).
Los protones en el núcleo de un átomo son extremadamente difíciles de desalojar, por lo que la identidad química de un átomo es muy estable. Uno de los objetivos de los antiguos alquimistas (convertir el plomo en oro) fue frustrado por esta estabilidad subatómica. Todos los esfuerzos para alterar esta propiedad de un átomo mediante calor, luz o fricción se encontraron con fracaso. Sin embargo, los electrones de un átomo se desalojan mucho más fácilmente. Como ya hemos visto, la fricción es una forma en que los electrones pueden transferirse de un átomo a otro (vidrio y seda, cera y lana), así como también calor (generando voltaje al calentar una unión de metales diferentes, como en el caso de termopares).
Tipos de enlace químico
Los electrones pueden hacer mucho más que simplemente moverse y moverse entre átomos: también pueden servir para unir diferentes átomos. Este enlace de átomos por electrones se denomina enlace químico . Una representación cruda (y simplificada) de dicho enlace entre dos átomos podría verse así:
Hay varios tipos de enlaces químicos, el que se muestra arriba es representativo de un enlace covalente , donde los electrones se comparten entre los átomos. Debido a que los enlaces químicos se basan en enlaces formados por electrones, estos enlaces son tan fuertes como la inmovilidad de los electrones que los forman. Es decir, los enlaces químicos pueden crearse o romperse por las mismas fuerzas que obligan a los electrones a moverse: calor, luz, fricción, etc.
Cuando los átomos se unen mediante enlaces químicos, forman materiales con propiedades únicas conocidas como moléculas . La imagen de doble átomo que se muestra arriba es un ejemplo de una molécula simple formada por dos átomos del mismo tipo. La mayoría de las moléculas son uniones de diferentes tipos de átomos. Incluso las moléculas formadas por átomos del mismo tipo pueden tener propiedades físicas radicalmente diferentes. Tome el elemento carbono, por ejemplo: en una forma, grafito , los átomos de carbono se unen para formar “placas” planas que se deslizan unas contra otras muy fácilmente, dando al grafito sus propiedades lubricantes naturales. En otra forma, diamante , los mismos átomos de carbono se unen en una configuración diferente, esta vez en forma de pirámides entrelazadas, formando el material de dureza superior. En otra forma más, Fullereno, docenas de átomos de carbono forman cada molécula, que se parece a un balón de fútbol. Las moléculas de fullereno son muy frágiles y livianas. El hollín aireado formado por la combustión excesivamente rica de gas acetileno (como en el encendido inicial de una antorcha de soldadura / corte de oxiacetileno) contiene muchas moléculas de fullereno.
Cuando los alquimistas lograron cambiar las propiedades de una sustancia por calor, luz, fricción o mezcla con otras sustancias, realmente estaban observando cambios en los tipos de moléculas formadas por átomos que se rompen y forman enlaces con otros átomos. La química es la contraparte moderna de la alquimia y se ocupa principalmente de las propiedades de estos enlaces químicos y las reacciones asociadas con ellos.
Un tipo de enlace químico de particular interés para nuestro estudio de las baterías es el llamado enlace iónico , y difiere del enlace covalente en ese átomo de la molécula posee un exceso de electrones mientras que otro átomo carece de electrones, los enlaces entre ellos son el resultado de la atracción electrostática entre las dos cargas diferentes.
Cuando se forman enlaces iónicos a partir de átomos neutros, hay una transferencia de electrones entre los átomos con carga positiva y negativa. Se dice que un átomo que gana un exceso de electrones se reduce ; se dice que un átomo con una deficiencia de electrones se oxida . Un mnemotécnico para ayudar a recordar las definiciones es RIG ACEITE (oxidado es menor; se gana menos). Es importante tener en cuenta que las moléculas a menudo contienen enlaces iónicos y covalentes. El hidróxido de sodio (lejía, NaOH) tiene un enlace iónico entre el átomo de sodio (positivo) y el ion hidroxilo (negativo). El ion hidroxilo tiene un enlace covalente (mostrado como una barra) entre los átomos de hidrógeno y oxígeno:
Na + O: H- El sodio solo pierde un electrón, por lo que su carga es +1 en el ejemplo anterior. Si un átomo pierde más de un electrón, la carga resultante se puede indicar como +2, +3, +4, etc. o mediante un número romano entre paréntesis que muestra el estado de oxidación, como (I), (II), ( IV), etc. Algunos átomos pueden tener múltiples estados de oxidación, y a veces es importante incluir el estado de oxidación en la fórmula molecular para evitar la ambigüedad.
¿Cómo funciona una célula voltaica?
La formación de iones y enlaces iónicos a partir de átomos o moléculas neutrales (o viceversa ) implica la transferencia de electrones. Esa transferencia de electrones se puede aprovechar para generar una corriente eléctrica. Un dispositivo construido para hacer justo esto se llama una celda voltaica , o una celda para abreviar, que generalmente consiste en dos electrodos metálicos sumergidos en una mezcla química (llamada un electrolito ]) diseñado para facilitar dicha reacción electroquímica (oxidación / reducción):
En la celda común de “plomo-ácido” (el tipo comúnmente usado en automóviles), el electrodo negativo está hecho de plomo (Pb) y el positivo está hecho de dióxido de plomo (IV) (PbO2), ambas sustancias metálicas. Es importante tener en cuenta que el dióxido de plomo es metálico y es un conductor eléctrico, a diferencia de otros óxidos metálicos que generalmente son aislantes. (nota: tabla a continuación) La solución electrolítica es un ácido sulfúrico diluido (H2SO4 + H2O). Si los electrodos de la celda están conectados a un circuito externo, de modo que los electrones tienen un lugar para fluir de uno a otro, los átomos de plomo (IV) en el electrodo positivo (PbO2) ganarán dos electrones cada uno para producir Pb (II) O. Los átomos de oxígeno que quedan “sobrantes” se combinan con iones de hidrógeno cargados positivamente (H) + para formar agua (H2O). Este flujo de electrones en el electrodo de dióxido de plomo (PbO2) le da una carga eléctrica positiva. En consecuencia, los átomos de plomo en el electrodo negativo ceden dos electrones cada uno para producir plomo Pb (II), que se combina con iones sulfato (SO4-2) producidos por la disociación de los iones de hidrógeno (H +) del ácido sulfúrico (H2SO4) a formar sulfato de plomo (PbSO4). El flujo de electrones fuera del electrodo de plomo le da una carga eléctrica negativa. Estas reacciones se muestran esquemáticamente a continuación:
Nota sobre la nomenclatura de óxido de plomo: La nomenclatura de los óxidos de plomo puede ser confusa. El término, el óxido de plomo puede referirse a Pb (II) O o Pb (IV) O2, y el compuesto correcto puede determinarse generalmente a partir del contexto. Otros sinónimos de Pb (IV) O2 son: dióxido de plomo, peróxido de plomo, óxido de plomería, óxido de plomo marrón y superóxido de plomo. El término peróxido de plomo es particularmente confuso, ya que implica un compuesto de plomo (II) con dos átomos de oxígeno, Pb (II) O2, que aparentemente no existe. Desafortunadamente, el término peróxido de plomo ha persistido en la literatura industrial. En esta sección, el dióxido de plomo se usará para referirse a Pb (IV) O2, y el óxido de plomo se referirá a Pb (II) O. Los estados de oxidación no se mostrarán generalmente.
Este proceso de la célula que proporciona energía eléctrica para suministrar una carga se llama descarga ya que está agotando sus reservas químicas internas. Teóricamente, después de que todo el ácido sulfúrico se haya agotado, el resultado será dos electrodos de sulfato de plomo (PbSO4) y una solución electrolítica de agua pura (H2O), sin dejar más capacidad para la unión iónica adicional. En este estado, se dice que la celda está completamente descargada . En una célula de plomo-ácido, el estado de carga puede determinarse mediante un análisis de la fuerza del ácido. Esto se logra fácilmente con un dispositivo llamado hidrómetro , que mide la gravedad específica (densidad) del electrolito. El ácido sulfúrico es más denso que el agua, por lo que cuanto mayor es la carga de una celda, mayor es la concentración de ácido y, por lo tanto, una solución de electrolitos más densa.
No existe una reacción química única representativa de todas las células voltaicas, por lo que cualquier discusión detallada de la química tendrá una aplicación limitada. Lo importante a entender es que los electrones están motivados hacia y / o desde los electrodos de la célula a través de reacciones iónicas entre las moléculas del electrodo y las moléculas de electrolito. La reacción se habilita cuando hay una ruta externa para la corriente eléctrica y cesa cuando se rompe esa ruta.
Dado que la motivación para que los electrones se muevan a través de una célula es de naturaleza química, la cantidad de voltaje (fuerza electromotriz) generada por cualquier célula será específica para la reacción química particular para ese tipo de célula. Por ejemplo, la celda de plomo-ácido que se acaba de describir tiene un voltaje nominal de 2.04 voltios por celda, basado en una celda completamente “cargada” (concentración de ácido fuerte) en buenas condiciones físicas. Existen otros tipos de celdas con diferentes salidas de voltaje específicas. La celda de Edison , por ejemplo, con un electrodo positivo hecho de óxido de níquel, un electrodo negativo hecho de hierro y una solución electrolítica de hidróxido de potasio (una sustancia cáustica, no ácida) genera un voltaje nominal de solo 1.2 voltios, debido a las diferencias específicas en la reacción química con esas sustancias de electrodos y electrolitos.
Las reacciones químicas de algunos tipos de células se pueden revertir forzando la corriente eléctrica hacia atrás a través de la célula ( en el electrodo negativo y fuera el electrodo positivo). Este proceso se llama carga . Cualquier célula (recargable) de este tipo se denomina célula secundaria . Una celda cuya química no puede ser revertida por una corriente inversa se llama celda primaria .
Cuando una fuente de corriente externa carga una célula de plomo-ácido, las reacciones químicas experimentadas durante la descarga se invierten:
REVISIÓN:
- Los átomos unidos por electrones se denominan moléculas .
- Los enlaces iónicos son uniones moleculares formadas cuando un átomo deficiente en electrones (un ion positivo) se une con un átomo excesivo de electrones (un ion negativo).
- Las reacciones electroquímicas implican la transferencia de electrones entre átomos. Esta transferencia se puede aprovechar para formar una corriente eléctrica.
- Una celda es un dispositivo construido para aprovechar tales reacciones químicas para generar corriente eléctrica.
- Se dice que una celda está descargada cuando sus reservas químicas internas se han agotado por el uso.
- La química de una célula secundaria se puede revertir (recargar) forzando la corriente hacia atrás a través de ella.
- Una celda primaria no se puede recargar prácticamente.
- La carga celular de plomo-ácido se puede evaluar con un instrumento llamado hidrómetro , que mide la densidad del líquido electrolítico. Cuanto más denso es el electrolito, más fuerte es la concentración de ácido y el mayor estado de carga de la célula.
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