Qumica aplicada a la ing. Elctrica.

121312045

Hurtado Zamora Juan Carlos

UNIVERCIDAD NACIONAL DEL CALLAO

Facultad de ingeniera elctrica y electrnica

Bateras de Mercurio

1

ndice:

Introduccin.................2

Objetivos4

Conceptos previos...........5

Tipo de bateras..7.

Bateras de mercurio9

Procesos Redox en la industria de pilas comerciales.23

Conclusiones..25

Recomendaciones..26

Bibliografa..30

2

Bateras de mercurio

Introduccin:

Las bateras electroqumicas convierten la energa qumica en corriente

elctrica; existen muchos tipos de bateras, pero en general cada una de ellas

consta de dos polos o electrodos confeccionados con materiales distintos y

sumergidos en un lquido conductor, cuando los polos se conectan entre s

tiene lugar una reaccin qumica que genera electricidad. Existen muchos tipos

de bateras actualmente, pero la primera batera que apareci fue en 1800

creada por Alessandro Volta conocida como pila voltica; luego en 1886

Leclanch confeccion la pila seca que lleva su nombre y que an se usa en

nuestros das

Las bateras tienen diversos usos y aplicaciones, las secas se emplean

principalmente en aparatos elctricos porttiles, como receptores de radio, las

pilas de mercurio tienen una mejor duracin y se utilizan en marcapasos. En el

automvil se utiliza el acumulador que re recarga mediante un generador

accionado por el motor del vehculo. Actualmente se estn impulsando los

automviles elctricos, los cuales obtienen propulsin mediante bateras

elctricas que se recargan mientras el vehculo est estacionado, conectando

este a una red de suministro elctrico.

3

Por ltimo, las bateras podran en un futuro no muy lejano, contribuir a

solucionar la crisis energtica mundial, por medio de la celda combustible y

otras que, seguramente, se desarrollaran e implementarn en nuestra vida

moderna.

4

Objetivos:

Comprender el funcionamiento de una batera en trminos

electroqumicos, considerando las reacciones y los procesos que se

llevan a cabo en ellas, as como las condiciones necesarias para

que exista un transporte de electrones

Estudiar y comprender los principales tipos de bateras que existen:

su funcionamiento, su diseo y el principio electroqumico que las

gobierna

5

LAS BATERAS

Conceptos previos:

Para poder comprender el funcionamiento de una batera es necesario

comprender ciertos trminos y familiarizarnos con ellos:

Reaccin redox: Se refiere a las reacciones de oxido-reduccin, donde un

compuesto se reduce y otro se oxida.

Celda electroqumica: Aparato donde se logra llevar una reaccin redox y del

cul se puede tomar energa debido a un flujo de electrones,

las hay de diversos tipos, y su funcionamiento es

aprovechado en las bateras.

Reduccin: Disminucin algebraica del nmero de oxidacin; puede

corresponder a una guanacia de electrones.

Oxidacin: Incremento algebrico del nmero de oxidacin; pudiendo

corresponder a una prdida de electrones.

Electrolito: Sustancia que en disolucin se disocia en iones con cargas

positivas y negativas que permiten el paso de corriente, en

las celdas electroqumicas se utiliza para permitir el

transporte de electrones entre el ctodo y el nodo.

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nodo: Electrodo en el cul se produce la oxidacin.

Ctodo: Electrodo en el cual se produce la reduccin.

Potencial estndar del electrodo (fem): Potenciales E, de las semireacciones

en forma de reducciones contra el electrodo de hidrgeno;

por convencin el potencial estndar E de una semireaccin

se refiere como la reduccin en relacin con el hidrgeno

estndar, cuando todas las especies estn presentes con

actividad unitaria. En una celda se refiere a la diferencia de

potencia entre las semiceldas estndar de reduccin y de

oxidacin.

Una batera es una celda electroqumica, o una serie de celdas electroqumicas

combinadas que pueden utilizarse como fuente de corriente elctrica directa a

un voltaje constante. Aunque la operacin de una batera es, en principio,

similar a la de una celda electroqumica, la batera tiene la ventaja de ser

totalmente independiente y no requiere aditamentos auxiliares (como puentes

salinos). Los tipos de bateras ms comunes son:

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Tipos de bateras:

La Batera de Celda Seca:

La celda seca, es decir una celda que no tiene un fluido en sus

componentes, ms comn es la celda de Leclanch, que se utiliza

en las lmparas porttiles y en los radios de transistores. El nodo

de la celda consta de una lata o contenedor de Zinc que est en

contacto con dixido de manganeso (MnO2) y un electrolito. El

electrolito consiste de cloruro de amonio y cloruro de zinc en agua, al

cual se le ha aadido almidn para que la disolucin adquiera una

consistencia pastosa espesa y no haya fugas. Como ctodo se

utiliza una barra de carbn que est inmersa en el electrolito en el

centro de la celda. Las reacciones de la celda son:

nodo: Zn(s) Zn2+

(ac) + 2e-

Ctodo: 2NH4+

(ac) + 2MnO2(s) + 2e- Mn2O3(s) + 2NH3(ac) + H2O(l)

Global: Zn(s) + 2NH4+

(ac) + 2MnO2(s) Zn2+

(ac) + 2NH3(ac) + H2O(l) + Mn2O3(s)

8

En realidad, sta ecuacin es una simplificacin de un proceso ms

complejo. El voltaje que produce sta celda seca es de

aproximadamente 1.5V.

9

La Batera de Mercurio:

La batera de mercurio se utiliza mucho en medicina y en la industria

electrnica y es ms costosa que la celda seca comn. Est

contenida en un cilindro de acero inoxidable, y consta de un nodo

de zinc (amalgamado con mercurio) que est en contacto con un

electrolito fuertemente alcalino que contiene xido de zonc y xido de

mercurio (II). Las reacciones de la celda son:

nodo: Zn(Hg) + 2OH-(ac) ZnO(s) + H2O(l) + 2e-

Ctodo: HgO(s) + H2O(l) + 2e- Hg(l) + 2OH

-(ac)

Global: Zn(Hg) + HgO(s) ZnO(s) + Hg(l)

Como no hay cambios en la composicin del electrolito durante la

operacin de la celda en la reaccin global de la celda tan slo

participan sustancias slidas- la batera de mercurio suministra un

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voltaje ms constante (1.35 V) que la celda de Leclanch. Tambin

tiene una capacidad considerablemente mayor y una vida ms

larga. Estas cualidades hacen que la batera de mercurio sea ideal

para los marcapasos, aparatos auditivos, relojes elctricos y

medidores de luz.

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El Acumulador de plomo:

La batera o acumulador de plomo que se usa comnmente en los

automviles consta de seis celdas idnticas unidas en serie. Cada

celda tiene un nodo de plomo y un ctodo hecho de dixido de

plomo (PbO2) empacado en una placa metlica. Tanto el ctodo

como el nodo estn sumergidos en una disolucin acuosa de cido

sulfrico (H2SO4), que acta como electrolito. Las reacciones de la

celda son:

nodo: Pb(s) + SO4-2

(ac) PbSO4(s) + 2e-

Ctodo: PbO2(s) + 4H+

(ac) + SO4-2

(ac) + 2e- PbSO4(s) + 2H2O(l)

Global: Pb(s) + 2SO4-2

(ac) + PbO2(s) + 4H+

(ac) 2PbSO4(s) + 2H2O(l)

En condiciones normales de operacin, cada celda produce 2V; un

total de 12 V de las seis celdas se utiliza para suministrar energa al

circuito de encendido del automvil y sus dems sistemas

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elctricos. El acumulador de plomo puede liberar gran cantidad de

corriente por un corto tiempo, como el que toma encender el motor.

A diferencia de la celda de Leclanch y la batera de mercurio, el

acumulador de plomo es recargable, lo cual significa que se invierte

la reaccin electroqumica normal al aplicar un voltaje externo en el

ctodo y en el nodo. (Este proceso se conoce como electrlisis) las

reacciones que restituyen los materiales originales son:

nodo: PbSO4(s) + 2e- Pb(s) + SO4

-2(ac)

Ctodo: PbSO4(s) + 2H2O(l) PbO2(s) + 4H+

(ac) + SO4-2

(ac) + 2e-

Global: 2PbSO4(s) + 2H2O(l) Pb(s) + 2SO4-2

(ac) + PbO2(s) +

4H+

(ac)

La reaccin global es exactamente contraria a la reaccin normal de

la celda. Cabe hacer notar dos aspectos de la operacin del

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acumulador de plomo: en primer lugar, como la reaccin

electroqumica consume cido sulfrico, se puede saber que tanto se

ha descargado la batera, midiendo la densidad del electrolito con un

hidrmetro, como normalmente se hace en las gasolineras. La

densidad del fluido de una batera "sana", completamente cargada,

debera ser mayor o igual a 1.2 g/mL. En segundo lugar, las

personas que viven en climas fros a veces tienen problemas con

sus vehculos debido a que la batera "no pasa corriente". Los

clculos termodinmicos muestran que la fem de muchas celdas

electroqumicas disminuye cuando baja la temperatura. Sin embargo,

el coeficiente de temperatura para una batera de plomo es de

aproximadamente 1.5 E-4 V/C; es decir, hay una disminucin en el

voltaje de 1.5E-4 V por cada grado que baja la temperatura. De

manera que cuando hubiera una cambio de temperatura de unos

40C, la disminucin en el voltaje sera de tan solo 6E-3 V o sea un

0.05%. del voltaje de operacin, un cambio insignificante. Lo que

realmente ocasiona que la batera falle es que aumenta la viscosidad

del electrolito cuando baja la temperatura. Para que la batera

funcione de manera adecuada, el electrolito debe ser totalmente

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conductor. Sin embargo, como los iones se mueven ms lento en un

medio viscoso, la resistencia del fluido aumenta y provoca que la

energa que suministra la batera sea menor. Si una batera que

aparente estar "muerta" se calienta a la temperatura ambiente en un

da fro, recupera su potencia normal.

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Bateras de litio en estado slido:

A diferencia de las bateras descritas, una batera en estado slido,

emplea un slido (en lugar de una disolucin acuosa o una pasta a

base de agua) como electrolito conector de los electrodos. Una

batera de litio sera una batera en estado slido. La ventaja que

tiene escoger el litio como nodo es que tiene el valor de potencial

estndar del electrodo E ms negativo. Adems, el litio es un metal

ligero, por lo que solo se necesitan 6.941 g de Li para producir 1 mol

de electrones. El electrolito es un polmero que permite el paso de

iones pero no de electrones. El ctodo est hecho de sulfuro de

titanio TiS2 o de xido de vanadio V6O13. El voltaje de la celda de

una batera de litio en estado slido puede ser hasta de 3 V, y puede

recargase igual que un acumulador de plomo. Aunque estas bateras

no son tan confiables y son de poca duracin, se les considera como

las bateras del futuro.

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Batera de nquel-cadmio (nicad)

Recientemente se ha empleado, cada vez con mayor frecuencia un

nuevo tipo de celda seca, la de nquel y cadmio que puede ser

recargada. Lo que le proporciona una vida til mucho ms

prolongada que las celdas secas comunes. Las bateras de niquel

cadmio se emplean en relojes de pulsera electrnicos, calculadores y

equipo fotogrfico.

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El nodo es de cadmio y el ctodo es de xido de niquel (IV). La

solucin electroltica es bsica, las reacciones de descarga son:

nodo: Cd(s) + 2OH-(ac) Cd(OH)2(s) + 2e

-

Ctodo NiO2(s) + 2H2O(l) + 2e- Ni(OH)2(s) + 2OH

-(ac)

Global: Cd(s) + NiO2(s) + 2H2O(l) Cd(OH)2(s) + Ni(OH)2(s)

El producto de reaccin slido en cada electrodo se adhiere a la

superficie del mismo. La batera nicad puede recargase mediante

una fuente externa de electricidad, invirtiendo las reacciones. El

voltaje de una celda nicad es cercano a 1.4V, un poco menor que la

celda de Leclanch.

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Celdas combustibles

Los combustibles fsiles son una fuente importante de energa, pero

la conversin de un combustible fsil en energa elctrica es un

proceso poco eficiente. Para generar electricidad, el calor producido

en la reaccin primero se utiliza para convertir el agua a vapor, que

luego mueve una turbina y sta a un generador. En cada etapa se

arroja al exterior una porcin considerable de energa liberada en

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forma de calor, la planta ms eficiente logra convertir nicamente un

40% de la energa qumica. Como las reacciones de combustin son

redox, es mejor llevarlas a cabo directamente por medios

electroqumicos; en esta forma se incrementar la eficiencia de

produccin de energa. Para lograr este objetivo se utiliza un

dispositivo conocido como celda combustible, una celda

electroqumica que requiere un aporte continuo de reactivos para su

funcionamiento.

En su forma mas simple, una celda combustible de oxgeno e

hidrgeno, consta de una disolucin electroltica, como puede ser

una disolucin de hidrxido de potasio, y dos electrodos inertes. El

hidrgeno y el oxgeno gaseoso se burbujean a travs de los

compartimientos del nodo y del ctodo, donde se llevan a cabo las

reacciones:

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nodo: 2H2(g) + 4OH-(ac) 4H2O(l) + 4e

-

Ctodo: O2(g) + 2H2O(l) + 4e- 4OH

-(ac)

Global: 2H2(g) + O2(g) 2H2O(l)

Con una fem de 1.23 V; y la reaccin es espontnea en estado

estndar. La reaccin es la misma que para la combustin de

hidrgeno, pero la oxidacin y la reduccin se llevan a cabo en el

nodo y en el ctodo por separado. Los electrodos sirven como

conductores elctricos y proporcionan la superficie necesaria para la

descomposicin inicial de las molculas en tomos antes de que se

transfieran los electrones, son electrocatalizadores.

A diferencia de las bateras, las celdas de combustin no almacenan

energa qumica. En las celdas combustibles los reactivos deben

renovarse de manera continua, y los productos deben eliminarse de

forma constante. En este sentido, una celda combustible se parece

ms a un motor que a una batera. Sin embargo, la celda

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combustible no funciona como mquina trmica y, por tanto, no est

sujeta a las mismas limitaciones termodinmicas de la segunda ley

en la conversin de energa.

Las celdas combustibles bien diseadas pueden tener una eficiencia

hasta del 70%, casi el doble que un motor de combustin interna;

adems los generadores son silenciosos, no vibran, no desprenden

calor, no contribuyen a la contaminacin trmica y otros problemas

asociados con las plantas de energa convencional. Sin embargo,

an no se ha logrado utilizarlas a gran escala. El principal problema

es que no hay electrocatalizadores baratos que funcionen en forma

eficiente por largo tiempo. La aplicacin ms exitosa de las celdas

combustibles ha sido en los vehculos espaciales, en stas el agua

pura que se produce sirve para que la ingieran los astronautas.

22

23

Procesos Redox en la industria de pilas comerciales.

Tipo descripcin

Pila seca o salina

Es la pila ms corriente y de mayor consumo. En realidad no esta

seca: contienen en su interior una disolucin acuosa de electrolito.

Tambin se llama pila leclanche, en honro a su inventor (1866). Esta

constituida por una barrita de grafito, que hace que el polo positivo,

rodeada de MnO2, y un recipiente de cinc, que es el polo negativo.

Como electrolito acta una disolucin acuosa de NH4Cl, embebida en

un solido absorbente (serrn , carbn en polvo ,etc.; con una sustancia

higroscpica ,como ZnCl2, para mantener la humedad). Las

reacciones que ocurren en la pila son algo complejas, pero pueden

resumirse en las semireacciones :

Polo (-): Zn Zn+2 + 2e-

Polo (+) : 2MnO2 + 2NH4++2e- Mn2O3 +H2O +2NH3

EL NH3 con los iones Zn2+ formal el complejo Zn (NH3)4

2+, con lo que

se evita la acumulacin de NH3 gaseoso, que anchara la pila hasta

reventarla.

La fem des esta pila es de 1,5 V. En el comercio hay pila de 4,5 V,

que son en realidad, asociadas en serie tres pilas secas.

Pila alcalina

Es una versin mejorada de la pila anterior, el electrolito de NH4Cl se

a remplazado por KOH (de aqu el nombre alcalina), lo que evita el

carcter acido del contenido causado por los iones NH4+, y que le

confiere una mayor duracin , si bien su costo es tambin mayor . Las

semireacciones simplificadas son:

Polo (-) : Zn + 2(OH)- Zn(OH)2 + 2e-

Polo (+) : 2MnO2 +H2O + 2e- Mn2O3 + 2(OH)

-

El recipiente de esta pila es de acero y la distribucin de las

componentes es la inversa de la anterior. En este caso, el polo e de

Zn va en centro, y el de MnO2 ocupa la zona perifrica.

La pila alcalina tienen la misma fem, 1,5V pero es mas constante con

el tiempo, y su rendimiento es mejor que el de las salinas.

Pila de mercurio.

En esta pila el polo (-) es una amalgama de cinc, y el polo positivo es

de acero, en contacto con una pasta de HgO, KOH y Zn (OH)2.

Las semireacciones de esta pila son:

Polo (-) : Zn + 2(OH)- Zn(OH)2 + 2e-

POLO (+) : HgO +H2O +2e- Hg +2 (OH)-

la ventaja de esta pila (aunque bastante mas cara) es que puede

fabricarse de un tamao muy reducido (pilas botn), por lo que tiene

mltiples aplicaciones en relojes, audfonos , etc. A pesar de ser tan

pequea, su fem , de 1,35V y es muy estbale en el curso de una

utilizacin prolongada.

Es muy peligrosa para el medio ambiente por contener compuesto de

mercurio.

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Acumuladores

Son pilas reversibles, de tal forma , que haciendo pasar una corriente elctrica en direccin opuesta , se puede invertir las reacciones, recargndose el acumulador, es decir, que se regeneran los reactivos originales en la pila mediante una electrolisis. Por ello, no pueden utilizarse para este tipo de pilas procesos en los que hay desprendimiento de gases.

El acumulador mas tradicional y mas utilizado es el de plomo. Esta formado por una serie de laminas de plomo (polo negativo), alternado con otras de dixido de plomo (polo positivo), y sumergidas ambas es una solucin acuosa de H2SO4al 20%.Las semireacciones que se producen son:

Polo(-) : Pb +SO42-PbSO4 +2e

-

Polo (+) : PbO2 + 4H+ +SO4

2-+2e- PbSO4 + 2H2O

En la descarga, las dos semireacciones ocurren hacia la derecha, con lo que ambos electrodos se van recubriendo de una sola capa de PbSO4(que hay insolubles), a la vez que se hace mas diluida la disolucin de H2SO4.En la carga (hacia la izquierda) se regeneran los reactivos (Pb y PbO2), a la vez que se concentra la disolucin de H2SO4. La fem de un acumulador simple es de 2,05 V, pero suelen conectarse en serie constituyendo una batera; las de los coches estn formadas por seis elementos, con lo que resulta una tensin de 12V. Cuando el motor del coche esta parado, la batera proporciona corriente necesaria para que el motor arranque, bujas, faros, etc. Cuando el motor esta en marcha, mueve la dinamo, que suministra corriente de carga a la batera.

Acumulador de nquel cadmio

Es mas conocido como pila recargable, por lo que tiene ventajas sobre las pilas anteriores, los electrodos estn enrollados y separaos por lminas empapadas de una papilla de KOH.

Las semireacciones que tiene lugar son:

Polo (-) : Cd +2OH- Cd(OH)2+ 2e- (descarga)

polo n(+) : 2Ni(OH)3 + 2e- 2 Ni(OH)2 + 2OH

- (carga)

Tiene unas vida mas larga que el acumulador de plomo, y su fem, de 1,35V; es mucho mas estable. A cambio, es mucho mas caro.

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Conclusiones

1. Las pilas o bateras funcionan por medio de una reaccin

electroqumica en la cul una sustancia se reduce y otra se

oxida, y en el proceso existe una transferencia de electrones

que puede ser aprovechada para generar una corriente

elctrica.

2. Existen muchos tipos de bateras, siendo las ms comunes

actualmente la batera seca, la de mercurio y el acumulador de

plomo.

3. Las aplicaciones de las bateras son muy amplias, desde lmparas

y equipo electrnico de mano hasta naves espaciales.

4. Para que se pueda dar un transporte de electrones, los electrodos

deben estar conectados por medio de un electrolito, sustancia

que permite el paso de electrones.

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Recomendaciones:

Los principales componentes de las pilas son mercurio, cadmio,

nquel y manganeso. La exposicin a estos qumicos puede

provocar cncer. El consumo constante de alimentos

contaminados con mercurio puede provocar cambios de

personalidad perdida de visin memoria, sordera o problemas

en los riones y pulmones; en mujeres embarazadas, el

mercurio puede acumularse en la placenta y provocar dao en

el cerebro y en los tejidos de los neonatos, quienes son

especialmente sensibles a esta sustancia. Respirar Cadmio

produce lesiones en los pulmones y cuando se ingiere

generalmente se acumula en los riones.

El efecto adverso ms comn de exposicin de nquel en seres

humanos es la reaccin alrgica. Entre 10 y 15 porciento de la

poblacin es sensible a l. Algunas personas que no son sensibles a

este metal sufren de ataques de asma luego de periodos de

exposicin. La exposicin a niveles de Manganeso muy altos durante

largo tiempo ocasiona perturbaciones mentales y emocionales, u

provoca movimientos lentos y faltos de coordinacin.

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Las pilas y bateras que se utilizan en los celulares tambin

contamina , Cada ao se consumen 75 toneladas de bateras

telefnicas inalmbrica; 18% del contenido de estas bateras es

cadmio y 20% es nquel, por lo que se calcula que cerca de 28.5

toneladas de residuos peligrosos son generados anualmente por

las bateras utilizadas en telfonos celulares.

Lo ms recomendable para desechar las pila y bateras es

llevarlas a un centro de acopio especial.

No tirar las pilas en la basura, el campo o la calle, ya que se

estara contaminando uno mismo.

Evitar el uso de aparatos que necesitan pilas o bateras para

funcionar.

28

Formas adecuadas de desechar las pilas

29

30

Bibliografa

Chang, Raymond, Qumica, Tr. Mara del Carmen Ramrez Meledes y Rosa

Zugazagoita Herranz. 6 edicin, Editorial Mc Graw Hill,1998 Pp. 683- 689.

Klaidler, Keith Fisicoqumica Tr. Mara Teresa Aguilar Ortega. 2a. Edicin

CECSA, 1998 Pp. 340-343

WHITTEN, K.W. Qumica General, Mxico, Editorial Mc Graw Hill1991

Pp.565-569.

Quimica, la ciencia central.- Brown LeMay Bursten novena edicin.