Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

Electroqumica Energa y Ambiente

i

Electroqumica:

Energa y Ambiente

Electroqumica Energa y Ambiente

Yris Martnez Ricardo Hernndez

VI Escuela Venezolana

para la Enseanza de la Qumica Mrida, del 05 al 10 de Diciembre de 2004

ii

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

VI ESCUELA VENEZOLANA PARA LA ENSEANZA DE LA QUMICA

Edicin 2004 El libro Electroqumica: Energa y Ambiente, fue escrito especialmente como material de apoyo de uno de los cursos ofrecidos en la VI Escuela Venezolana para la Enseanza de la Qumica. La Escuela es un programa organizado por CELCIEC-ULA, diseada en base a Cursos de Actualizacin dirigidos a los docentes de Qumica de la Educacin Bsica, Media y Diversificada. Evaluacin de la edicin: Bernardo Fontal, Ricardo Contreras Comit organizador del VI Encuentro con la Qumica:

Bernardo Fontal, Fernando Bellandi, Marisela Reyes, Ricardo Contreras

Autor: Yris Martnez

Ricardo Hernndez E-mail: ymartin@ula.ve

rmhr@ula.ve Portada: Yanelly Gavidia Diseo y diagramacin: Smart Service C.A. Se autoriza la reproduccin parcial y total de esta obra, nicamente para fines de enseanza, respetando los crditos del VI Escuela Venezolana para la Enseanza de la Qumica y de los autores. Derechos reservados 2004, Universidad de Los Andes, Facultad de Ciencias, Departamento de Qumica, Laboratorio de Organometlicos La Hechicera, Mrida 5101, Venezuela. Tlf.: +58 274 2401380, Fax: +58 274 2401286, E-mail: escueladequimica@hotmail.com

Hecho en Venezuela Depsito legal:

LF23720045403202

iii

Electroqumica:

Energa y Ambiente

PRLOGO

Esta monografa pretende, de manera sencilla, introducir al lector al mundo de la

electroqumica, su importancia y sus aplicaciones. Particularmente, se desea llegar

principalmente a los profesores de educacin secundaria; con el objeto de facilitarles la

presentacin de una imagen menos etrea de los diversos fenmenos, interacciones y

aplicaciones en los que se involucra con aspectos de la vida cotidiana. Entre estos,

podemos citar el uso de la energa elctrica y sus implicaciones ambientales, el empleo

de sustancias y materiales generados por va electroqumica; tales como limpiadores de

caeras (NaOH - Diablo Rojo) y baldosas (HCl acuoso cido muritico), la produccin

y el uso de aluminio en sus diversas formas, el electro-platinado y niquelado, el

decapado, y los procesos de corrosin. Entre los aspectos menos cotidianos cabe citar

la fabricacin por va electroqumica de medicamentos y otras sustancias y los nuevos

desarrollos tales como la impresin de circuitos elctricos en placas.

Este trabajo comienza con un pequeo glosario ya que por ser un rea de la

qumica extensa, y en muchos casos interdisciplinaria, maneja trminos que usualmente

son confundidos o no son de uso comn. Seguidamente, se presenta alguna

informacin relacionada con el almacenamiento de la energa electroqumica y sus

implicaciones ambientales. Posteriormente, se presenta un resumen de algunas de las

principales tcnicas electroqumicas de anlisis y de las principales aplicaciones de la

electroqumica a los procesos de sntesis de nuevos materiales y sustancias, a nivel de

laboratorio e industrial. Finalmente, se sealan algunos de los mtodos electroqumicos

empleados para la descontaminacin o remediacin del ambiente.

Hemos utilizado la menor cantidad posible de formulaciones matemticas, ya que

no es el propsito de esta obra profundizar en los aspectos fundamentales de la

electroqumica, sino ms bien presentarla como disciplina amplia y cotidiana. Adems,

la experiencia nos indica que la presentacin e identificacin del fenmeno precede a

su interpretacin profunda.

iv

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

TABLA DE CONTENIDO

1 Glosario 2 Energa Electroqumica 3 Mtodos Instrumentales de Anlisis 4 Aplicaciones a Escala Industrial 5 Electroqumica y Medio Ambiente 6 Bibliografa

v

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

GLOSARIO Anin: especie inica negativa que migra hacia el ctodo por efecto de un campo elctrico.

nodo: Electrodo hacia donde migran los aniones y en donde se da la oxidacin.

nodo de Sacrificio: metal ms activo que se une a un metal menos activo para proteger a un ctodo construido por un metal menos activo contra la corrosin.

Agente oxidante: Es una sustancia que causa la oxidacin de otra especie en una reaccin redox. El agente oxidante gana electrones; se reduce.

Agente reductor: Es una sustancia que causa reduccin de otra especie en una reaccin redox; es decir, el material pierde electrones - se oxida.

Bateras: Arreglo de celdas electroqumicas capaz de almacenar energa elctrica mediante una reaccin qumica que, durante la descarga se revierte

espontneamente en los electrodos cuando ellos estn conectados a travs de un

circuito externo produciendo as una corriente elctrica.

Catin: Especie inica positiva que migra hacia el ctodo por efecto de un campo elctrico.

Ctodo: Electrodo hacia donde migran los cationes y en donde ocurre la reduccin.

Celda Electroqumica: Es un dispositivo en el que toma lugar una reaccin qumica de oxidacin o de reduccin. La celda consiste, fundamentalmente, en dos

conductores llamados electrodos, en contacto con una solucin adecuada de un

electrolito. Cuando los dos conductores son conectados, a travs de un circuito

1

Electroqumica:

Energa y Ambiente

elctrico externo, una corriente elctrica fluye entre ellos proporcional a la diferencia

de potencial existente entre ellos.

a) Celdas Electrolticas: Son aquellas celdas electroqumicas en las que se induce una reaccin qumica no espontnea mediante el uso de la energa elctrica

procedente de alguna fuente elctrica externa.

b) Celdas Galvnicas: Son aquellas celdas electroqumicas en las que reacciones qumicas de oxidacin y reduccin espontneas producen electricidad que puede ser

empleada en un circuito externo (ejemplo: Bateras o pilas).

Celda de Combustible: Celda electroqumica en la que los reactivos (normalmente gases) que se suministran continuamente son convertidos mediante un proceso

redox en productos que son retirados a medida que se producen producindose un

flujo de electrones como resultado.

Corriente elctrica: Flujo de cargas consecuencia del movimiento de cargas elctricas debido a una diferencia de potencial.

En los conductores metlicos, es el movimiento ordenado de los electrones entre dos

puntos con distinto potencial.

En algunos semiconductores la corriente se debe al movimiento de cargas positivas y

en los electrolitos y gases ionizados al de ambos tipos de cargas.

Conductor ELCTRICO: Es un cuerpo que, por su estructura, permite que los electrones se muevan a travs de l con gran facilidad. Ej : los metales. Un aislante

se caracteriza por la escasa movilidad de las cargas citadas. Ej.: El vidrio. Existen

tres tipos de conductores elctricos: Metlicos, en los que el paso de la corriente

elctrica tiene lugar por medio de electrones y sin transporte alguno de materia;

2

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

Gaseosos, en los que el paso de la corriente elctrica se acompaa de fenmenos

de ionizacin;

Electrolticos, en los que el paso de la corriente elctrica tiene lugar con transporte de

materia.

Conductividad electrica: Es la habilidad de un material para conducir la corriente elctrica. Diferente a la conductividad trmica, aunque ambos tipos de conductividad

se presentan generalmente juntos.

Conveccin: transporte de masa debido a movimientos mecnicos y trmicos de especies cargadas y neutras.

Difusin: transporte de masa debido a gradientes de concentracin.

Doble capa: En una solucin electroltica, los iones en ella contenidos difieren en su comportamiento dependiendo del lugar en que se encuentren en la solucin y de su

propia naturaleza. Los que estn localizados en la parte ms interna de la solucin

(seno de la solucin), suelen encontrarse rodeados por molculas polares de

solvente(comnmente agua) y se dice que se encuentran solvatados. Un ion

solvatado siempre est rodeado de otros iones, tambin solvatados, de forma que los

de un signo y los de otro se hallan en un equilibrio dinmico de cargas, y como

consecuencia las diferentes zonas en la solucin, en promedio, son elctricamente

neutras. En la medida en que los iones se encuentran ms alejados de la parte

interna de la solucin y ms cercanos al borde de la interfase (electrodo solucin),

esta estructura de solvatacin se modifica debido a la presencia del cuerpo (extrao)

del electrodo que presenta un potencial y carga diferente al resto de la solucin. Esta

situacin hace que los iones en solucin se coloquen sobre la superficie del electrodo

de acuerdo con su carga conformando as una doble capa elctrica; constituida por

un lado por el conjunto de iones alineados y los tomos de la superficie del electrodo

3

Electroqumica:

Energa y Ambiente

y por otro lado por la superficie del electrodo, con una carga opuesta a la de los iones

presentes en solucin.

Electroqumica: Es una parte de la qumica que esta relacionada con los cambios qumicos producidos mediante la transferencia de electrones y de la produccin de

electricidad mediante reacciones qumicas.

Electrodo: En trminos generales es un elemento conductor de electricidad que cierra un circuito y entre cuyos extremos se establece una diferencia de potencia.

Desde el punto de vista electroqumico es un elemento conductor de electricidad que

establece el contacto elctrico entre un circuito externo, conectado a otro(s)

electrodo(s), y una solucin electroltica.

Electrodo de Trabajo: Electrodo sensible a los cambios o fenmenos que ocurren en una celda electroqumica, de manera que su comportamiento y los valores de

potencial que se observen sern una medida directa de las propiedades de las

especies electroactivas. Idealmente debe ser inerte al medio electroltico en estudio y

polarizable.

Electrodo Secundario: (contraelectrodo) Electrodo que se usa en una celda de tres electrodos con el propsito de proteger al electrodo de referencia del paso de

corrientes que pudiesen polarizarlo, en otras palabras, cierra el circuito entre el

electrodo de trabajo y el medio electroltico. Generalmente; desde el punto de vista

analtico, los procesos que ocurren en este electrodo no son tomados en cuenta.

Electrodo de Referencia: Electrodo que tiene un potencial de equilibrio bien conocido y estable, contra el cual se mide la diferencia de potencial aplicada al

electrodo de trabajo. No debe ser fcilmente polarizable.

Electrlisis: Descomposicin de una sustancia en una celda electroqumica, por el

4

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

paso de una corriente elctrica directa o alterna de baja frecuencia, (1000 Hz).

Electrolito: Sustancia que al ser disuelta en un solvente polar se disocia en iones que permiten la conduccin de electricidad.

Electrodeposicin: recubrimiento de la superficie de un electrodo mediante un proceso electroltico, en el cual las sustancias electroactivas se depositan en forma

de capas sucesivas. El depsito puede ser de un metal, xido o polmero.

Faraday: Cantidad de carga igual a 96,485 culombios; corresponde a la carga de un

mol de electrones, es decir 6,022X1023 electrones.

Fuerza Electromotriz: "La fuerza electromotriz (FEM) de una celda es igual en signo y magnitud al potencial elctrico de la pieza conductora metlica a la derecha,

cuando la de la pieza similar a la izquierda es tomada como cero, estando la celda a

circuito abierto."(IUPAC), es decir:

Ec = Eder - Eizq

Esto tambin puede ser escrito como

Ec = Ered - Eox

Si se toman en cuenta los potenciales de reduccin

correspondientes

Ion.: Especie (tomo o molcula) cargada. Se llama catin cuando es positiva y anin en caso contrario.

Inica: Se considera como el campo necesariamente adjunto de la electroqumica. Se refiere a los iones en solucin y a los lquidos que surgen de la fusin de slidos

compuestos de iones.

Mtodo: Un mtodo es una aplicacin especfica de una tcnica a la solucin de un problema analtico en particular. El anlisis infrarrojo de copolmeros, la

5

Electroqumica:

Energa y Ambiente

determinacin potenciomtrica de la concentracin de protones (pH) y la

determinacin de Zn (II) mediante la tcnica polarogrfica, son ejemplos de mtodos

de anlisis.

Migracin: transporte de masa debido a movimiento de iones por accin de un campo elctrico. Los iones solvatados se mueven a diferentes velocidades, de

acuerdo a su tamao y carga.

Oxidacin: Este trmino es utilizado para referirse a reacciones qumicas en la que un elemento o compuesto cede electrones a un elemento ms electronegativo.

(Desde el punto de vista de transferencia electrnica, oxidacin ocurre cuando ocurre

una perdida de electrones en el sistema.)

Pasivacin: Prdida de reactividad qumica de un metal bajo ciertas condiciones ambientales. Se debe principalmente a la formacin, de capas de xido protectoras.

Pila: Acoplamiento de varias celdas galvnicas. Una sola celda galvnica tambin se conoce como pila o batera.

Polarizacin: Fenmeno segn el cual es posible cambiar el potencial de un electrodo, induciendo la orientacin y migracin de especies cargadas en la interfase

electrodo solucin sin que ello implique la transferencia de electrones o circulacin

de corrientes faradaicas.

Potencial Estndar: La imposibilidad de medir experimentalmente potenciales absolutos de electrodo, obliga a hacerlo en forma relativa, midiendo la FEM (Ec')

entre el electrodo considerado y otro tomado como referencia (patrn o base). El

electrodo de hidrgeno (EH), es el electrodo de referencia universal y consiste en

una campana de vidrio que encierra una pieza de platino platinada, sobre la cual se

burbujea hidrgeno a 1 atm de presin parcial. La solucin debe contener iones

hidrgeno con una actividad igual a 1 y todo el sistema debe estar a 25 C. Al

6

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

potencial del EH se le asigna, arbitrariamente, un valor de cero a cualquier

temperatura. La solucin, en la media celda cuyo potencial desea conocerse

(EMn+), tambin debe tener una actividad unitaria y una temperatura de 25 C.

Proteccin catdica: La proteccin catdica es un mtodo de proteccin anticorrosiva, que consiste en catodizar una pieza que se quiere proteger,

emplendola como el ctodo de una celda electroqumica; el nodo puede ser de

'sacrificio' o 'indiferente', segn el mtodo. En la proteccin catdica con nodo de

sacrificio, la pieza a proteger es catodizada con la corriente producida por un nodo

de sacrificio, un metal menos noble que la pieza que se pretende proteger. En el

mtodo de corriente impresa, la corriente es generada por una fuente de corriente

directa externa y el nodo puede ser de un material indiferente o, inerte. En ambos

mtodos se emplea un electrodo de referencia para controlar el potencial del sistema

a proteger.

Reaccin parcial: Tambin llamada reaccin de media celda. Cada una de las reacciones (de reduccin u oxidacin) involucradas en un proceso electroqumico.

Cuando el electrodo es el nodo, la reaccin (andica) es de oxidacin, en caso

contrario la reaccin es de reduccin (catdica).

Resistencia elctrica: Todos los conductores no dejan pasar la corriente elctrica con igual facilidad. Se llama resistencia elctrica a la dificultad que presenta un

conductor al paso de la corriente. Depende de varios factores:

Naturaleza del material del conductor. Su geometra.

7

Electroqumica:

Energa y Ambiente

Resistividad: La resistencia R de un conductor cilndrico es proporcional a la longitud L e inversamente proporcional a su seccin transversal de rea A.. La

resistividad, es la constante de proporcionalidad que relaciona estas propiedades.

Tcnica: Una tcnica consiste en la manipulacin de un principio fundamental o fenmeno fsico-qumico que se sabe proporciona informacin de un sistema

determinado. Segn esta definicin, se puede hablar de la tcnica de espectroscopia

infrarroja o de las tcnicas polarogrficas y potenciomtricas.

Intensidad De Corriente: Es la cantidad de carga que pasa por la seccin de un conductor, en una unidad de tiempo.

I = dQ / dt Se mide en Amperios

Voltaje: Diferencia de potencial entre dos electrodos; medida del potencial qumico para que tenga lugar una reaccin.

8

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

ELECTROQUMICA: ENERGA Y AMBIENTE Energa Electroqumica.- Celdas y Bateras

La electricidad es la forma de energa ms usada debido a su facilidad de

transformacin en otras formas de energa, lo que facilita su utilizacin. En

numerosas circunstancias se hace uso de la electricidad sin que se disponga de

acceso a la red elctrica Este es el caso de las boyas marinas de sealizacin,

servicio elctrico del automvil, linternas, etc. Hay otros sistemas que requieren

utilizar bateras como solucin al problema que se plantea cuando se produce un

corte en el suministro de la red, como es el caso de la iluminacin de quirfanos,

proteccin de la informacin de computadores, etc.

Las bateras estn en todos lados, en nuestros carros o automviles, computadores,

radios o equipos de sonido porttil, linternas, telfonos celulares etc. Una batera es

esencialmente un recipiente lleno de sustancias qumicas que producen electrones.

Las reacciones qumicas en las que intercambian electrones se denominan

reacciones electroqumicas.

Actualmente han surgido nuevas aplicaciones: vehculo elctrico, computadores

porttiles, sistemas de alimentacin sin interrupcin, etc., que han originado infinidad

de nuevos sistemas electroqumicos, en algunos casos completamente diferentes a

los tradicionales. El gran mercado potencial de estos nuevos usos de las bateras es

la causa del gran esfuerzo que estn realizando, tanto las empresas privadas, como

los organismos oficiales (Universidades y Centros de Investigacin) de muchos

pases.

9

Electroqumica:

Energa y Ambiente

HISTORIA Y EVOLUCION DE LA BATERIA

Existen estudios arqueolgicos que apuntan hacia la probable existencia de

bateras primitivas utilizadas por los egipcios y los persas en el ao 2000 a.C., que

podran haber sido empleadas para el electrodepsito de metales. Otros

descubrimientos apuntan a que el pueblo babilnico tambin dispona de bateras

en el ao 500 a.C.

Los orgenes cientficos de las bateras hay que situarlos en el siglo XVIII. En 1780,

Galvani descubri el fenmeno de la corriente electroqumica en sus experimentos

de anatoma sobre las ancas de rana; Galvani no supo interpretar la razn del porqu

se producan convulsiones en el anca de rana cuando sta era fijada con un hilo de

plata por un extremo y un hilo de hierro por el otro. En 1793, Alejandro Volta hace

una interpretacin del fenmeno observado por Luigi Galvani, realiza su teora de la

produccin de la corriente electroqumica y establece la fuerza electromotriz de los

metales. En 1800, Volta construye la primera batera primaria, conocida como pila de

Volta, utilizando parejas de metales diferentes como son plata-estao o cobre-zinc.

Luigi Galvani (Bolonia, Italia, 1737 - 1798) Mdico y fsico italiano. En 1759 se gradu en medicina en la

Universidad de Bolonia. Paulatinamente, fue

interesndose por la fisiologa y, en especial, por la

interaccin entre sta y la electricidad. A lo largo de la

dcada de 1780 llev a cabo numerosos experimentos en

dicho campo, algunos de ellos clebres, como el de la contraccin muscular

experimentada por las extremidades de una rana muerta. En los aos siguientes

sigui reuniendo evidencia emprica de la naturaleza elctrica de la actividad

neurolgica, hasta la publicacin en 1791 de su ensayo Comentario sobre el efecto de la electricidad en la movilidad muscular, donde expuso la teora de la existencia de una fuerza vital de naturaleza elctrica que regira los sistemas

10

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

nervioso y muscular. Los enfrentamientos personales con las autoridades

napolenicas de su Bolonia natal agriaron los ltimos aos de su existencia.

Alejandro Juan Antonio Volta nace en 1745, en la ciudad de Como, Italia, era el sptimo hijo de Felipe Volta y de la

condesa Mara Magdalena Inzaghi. Las palabras voltio,

voltmetro, voltmetro, pronunciadas o escritas diariamente

por millones de personas, inmortalizan ms a este hombre

de genio que el titulo de conde que le fue conferido por el Emperador Napolen. Volta es conocido como el inventor de

la pila elctrica. Fue un joven curioso e inteligente, a pesar de que durante sus

primeros aos de vida no dijo ni una sola palabra ya que no empez a hablar

fluidamente hasta los 8 aos. Su avidez de conocimientos le hizo viajar a las mejores

universidades y conocer a los ms prestigiosos cientficos, lo que junto a su metdico

trabajo experimental le llev a inventar la pila. Su trabajo se bas en una observacin

casual. En 1782 se hizo profesor de fsica de la Universidad de Padua, donde se

envolvi en una controversia con Luigi Galvani. Los experimentos de Galvani con

ranas haban conducido a ste a creer que la corriente elctrica era electricidad

animal causada por los mismos organismos. Volta, por su parte, sostena que la

corriente elctrica era electricidad metlica, cuya fuente eran las sondas de

diferentes metales insertadas en las piernas de la rana. Ambos tenan razn, hay una

electricidad animal y Galvani alcanz la fama como fundador de la Fisiologa

nerviosa. El gran invento de Volta, sin embargo, revolucion el uso de la electricidad

y dio al mundo uno de sus mayores beneficios, la corriente elctrica.

En 1801, Davy establece los conceptos correctos de los descubrimientos de Volta y a l se deben los trminos Fuerza Electromotriz, Electroqumica y Voltio (nombre en

honor de Volta).

11

Electroqumica:

Energa y Ambiente

Davy, Sir Humphry (Penzance, Gran Bretaa, 1778-Ginebra, 1829) Qumico ingls. De formacin autodidacta, se le considera el fundador de la electroqumica, junto con Volta y Faraday. En 1798 ingres en la Medical Pneumatic Institution para investigar sobre las aplicaciones teraputicas de gases como el xido nitroso (el gas hilarante). En 1803 fue nombrado miembro de la Royal Society, institucin que llegara a presidir. De sus investigaciones en electroqumica destaca la obtencin de los elementos de un compuesto por medio de la electrlisis. En 1807 consigui aislar el sodio y el

potasio a partir de sus hidrxidos, y en 1808, los metales alcalinotrreos. Descubridor del boro a partir del brax, fij la relacin correcta entre el hidrgeno y el cloro en el cido clorhdrico, y explic la accin blanqueante del primero por el desprendimiento de oxgeno en el agua. En 1816 ide la conocida como lmpara de Davy para evitar las explosiones en las minas.

En 1802, Johann Wilhelm Ritter observa que una corriente que pasa entre dos electrodos de cobre sumergidos en una solucin de cloruro sdico, produce una

polarizacin y que, cuando el sistema se desconecta, se crea una corriente en

sentido inverso. Ritter desarroll la denominada "pila de Ritter". La pila la constituan

varios discos de cobre y cartn empapados en sal de mesa (cloruro sdico) y

colocados uno sobre el otro. Este dispositivo poda cargarse con corriente elctrica y

al descargarse suministraba corriente.

Ritter, Johann Wilhelm (Samitz, 1776-Munich, 1810) Fsico alemn. Tambin qumico y fisilogo. Johann Wilhelm Ritter naci en 1776 en Samitz, Silesia, la cual es ahora parte de Polonia. Ritter trabaj como farmacista de 1791 a 1795 y posteriormente estudi Ciencia y Medicina en la Universidad de Jena, lugar en el que realiz numerosos experimentos. Johann Ritter es mejor conocido por su descubrimiento de la luz ultravioleta en 1801. Despus de su descubrimiento de la luz

12

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

ultravioleta, Ritter continu haciendo investigacin y lleg a estar cada vez ms interesado en experimentos elctricos. El haba descubierto el proceso de electro-plateado anteriormente en 1800. En 1802, invent la pila o batera de celda seca y ms tarde desarroll una batera electroltica de almacenamiento en 1803. Llev a cabo la electrlisis del agua, obtuvo cobre puro mediante electrlisis de sus sales, descubri la polarizacin galvnica y estudi la accin de las corrientes elctricas en el sistema nervioso.

En 1834, Faraday desarrolla los principios de los procesos que tienen lugar en las celdas electroqumicas y las bases cuantitativas de los mismos. A l se deben los

trminos hoy empleados como electrolito, electrodo, nodo y ctodo.

Michael Faraday (Newington Butts-Inglaterra, 22 de septiembre de 1791 - Hampton Court, 25 de agosto de 1867) Fsico y qumico Ingls. En 1813 lleg a ser asistente de Davy y en 1827, profesor en la Royal Institution. Entre 1813 y 1815 acompa a Davy, como asistente, en un viaje cientfico al continente. Despus del descubrimiento del electromagnetismo (1820), no obstante que confes no haber entendido a Oersted, efectu una serie de experimentos en su laboratorio, descubriendo el principio del motor elctrico (la rotacin electro-magntica). Siguiendo el camino opuesto a otros

investigadores (Oersted, Arago, etc.), Fraday trat de producir una corriente elctrica usando campos magnticos (induccin electromagntica). Le tom 10 aos pero, finalmente lo logr en 1831, sentando las bases para el desarrollo de los generadores elctricos. Entre 1826 y 1862, imparti 123 disertaciones (Friday Evening Discurses), igualmente 19 conferencias (Christmas Lectures) entre 1827 y 1861). mbas actividades se realizan todava en la Royal Institution.

En 1836, Daniell consigue dar un paso importante en la evolucin de pila al sustituir la reaccin catdica de desprendimiento de H2 de la pila I Volta, por otro proceso

ms favorable como es el depsito de cobre. Daniell emplea una solucin saturada

13

Electroqumica:

Energa y Ambiente

de sulfato de cobre como electrolito en electrodo de cobre y cido sulfrico en el

electrodo de zinc.

Daniell Frederic John (12 de Marzo de 1790, Londres, - 15 de Marzo de 1845 Londres) Fsico y Qumico Ingles, Profesor de fsica en la Universidad de Edimburgo, Escocia, a la edad de 23 aos. En 1820 inventa el higrmetro que lleva su nombre. Fue el primero en utilizar las leyes fsicas para explicar los fenmenos de la atmsfera; en 1823 publica el libro Ensayos Metereolgicos. En 1830 inventa un pirmetro y un barmetro de agua. En 1830 motivado por los trabajos de Michael Faraday comienza sus investigaciones en

Electroqumica. El mayor problema de la pila de Volta era que la misma no poda mantener por un largo intervalo de tiempo la corriente que produca. Daniell comienza sus experimentos en 1835 con el fin de mejorar la batera Voltaica.

En 1838, William Robert Grove, un abogado ingls convertido en cientfico desarrollo lo que se conocera como la Celda de Grove. Dicha celda estaba constituida por un

electrodo de platino sumergido en cido ntrico y un electrodo de zinc sumergido en

una solucin de sulfato de zinc. La celda generaba unos 12 amperios de corriente a

un potencial de unos 1.8 voltios. En estudios posteriores con electrodos de platino

sumergidos en cido sulfrico, Grove diseo y descubri lo que l denomin la

Celda de Gas; La primera celda de combustibles.

William Robert Grove (Swansea, 1811-Londres, 1896) Fsico britnico. Abogado, profesor de derecho y magistrado, se dedic como aficionado a la investigacin de los fenmenos electromagnticos. Jurista de profesin y fsico de vocacin que en 1839 hizo pblico un experimento con el que demostraba la posibilidad de generar corriente elctrica a partir de la reaccin electroqumica entre hidrgeno y oxgeno. Su diseo

14

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

original consista en unir en serie cuatro celdas electroqumicas, cada una de las cuales estaba compuesta por un electrodo con hidrgeno y otro con oxgeno, separados por una disolucin electroltica. Grove comprob que la reaccin de oxidacin del hidrgeno en el electrodo negativo combinada con la de reduccin del oxgeno en el electrodo positivo generaba una corriente elctrica. Esa corriente elctrica se poda usar a su vez para generar hidrgeno y oxgeno, aunque debido a las limitaciones de la termodinmica, siempre en menores cantidades que las usadas para generar dicha corriente. Sin embargo, Grove, que acabara siendo nombrado Sir, no buscaba aplicaciones, slo conocimiento cientfico. Ni l ni nadie poda saber que estaba sembrando de conocimiento el terreno en el que creceran, ms de un siglo despus, las pilas de combustible. El experimento de Grove mostr el principio fundamental de su funcionamiento. Mostr la esencia y el camino. La esencia, la interconvertibilidad entre la energa qumica de un combustible y la energa elctrica; el camino, la posibilidad de convertir esa energa directamente en electricidad sin pasar por un proceso intermedio de combustin. (Pedro Gmez Romero, conferencia presentada en Cosmocaixa, el Museo Interactivo de Madrid, (Alcobendas, 7 de mayo 2002, 19:30)

En 1860, Lechanch disea una nueva celda, que ser la precurso de las actuales pilas secas de zinc y dixido de manganeso. En el mismo ao Plant construye la

primera batera recargable del tipo plomo-cido. Esta batera consista en dos hojas

de plomo separadas por una tira de telas sumergidas en cido sulfrico diluido.

Plant comprob que al pasar una corriente a travs de las hojas de plomo, en una

de ellas se produca una capa de dixido de plomo y en la otra una capa de plomo

poroso, denominada esponja de plomo. Cuando las dos hojas eran conectadas aun

circuito elctrico externo se produca una corriente que aumentaba con un mayor

nmero de cargas y descargas repetidas, proceso este denominado de formacin.

15

Electroqumica:

Energa y Ambiente

Leclanch, Georges (Parmain, Francia, 1839 1882). Parisino hijo de Lopold Leclanch y Eugenie de Villeneuve. Leclanch fue educado en Inglaterra de donde regreso a Francia para continuar sus estudios en el Colegio Central de Artes y Manufacturas. Despus de terminar sus estudios tcnicos, en 1860, comenz a trabajar como ingeniero. Seis aos despus culmin su batera, a la que haba dedicado gran parte de su tiempo y trabajo. La Batera estaba constituida por una solucin conductora (electrolito) de cloruro de amonio, un terminal

negativo de cinc, y un terminal positivo de dixido de manganeso. Esta batera es la que ahora, ligeramente modificada, se conoce como pila seca. En 1880, Thomas Alva Edison construye el dinamo que contribuy significativamente a. la evolucin de las bateras al simplificar enormemente la recarga de 1as mismas.

Thomas Alva Edison ( Milan (Ohio) 1847- West Orange (N.J.) 1931) Inventor norteamericano, n. en y m. en. En sus estudios se acredit de tronera y particularmente torpe para las matemticas; pero ello no le arredr, ya que siempre podra alquilar a algn matemtico, como dira muchos aos despus, convertido ya en el mago de los inventos. El inters de Edison por las cosas mecnicas y elctricas le impuls a fabricar instrumentos telegrficos; su excepcional

memoria le ayud a dominar rpidamente el cdigo Morse. Thomas Alva Edison no era un cientfico puro, pero s un experimentador infatigable. No era tampoco un pensador original, como Newton o Maxwell, pero posea habilidad para seleccionar los mejores elementos del trabajo de los dems y genio sintetizador para coordinarlos y llegar a resultados prcticos de inters inmediato para la vida cotidiana. En 1881, Faur empast con xido de plomo la superficie de las placas de plomo, que con el paso de la corriente se converta en material activo, dixido de plomo en

la placa positiva y esponja de plomo en la pila negativa, aumentando as la

capacidad del sistema con respecto al diseo de Plant. El problema era la cada de

16

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

la pasta durante los ciclos de carga y descarga. La produccin industrial de bateras

de plomo se inicio a partir del momento en que Faur solicit la patente para la

fabricacin de placas empastadas para acumuladores de plomo.

En 1881, Sellon, y en 1883, Tudor sustituyen las planchas de plomo utilizadas por Faur por unos diseos de electrodo (rejillas) que aumentaban la adherencia del

material activo, evitando la cada prematura del mismo.

En 1900, Jungner construye la batera alcalina de nquel-cadmio, y 1901, Edison proyecta la batera de nquel-hierro. Estas bateras junto con la de plomo-cido son

las que han tenido ms repercusin comercial y que se han mantenido hasta

nuestros das, entre otros muchos sistemas que se han ido probando a lo largo del

tiempo. Ambos inventores se dedicaron a una serie de aparatos de acumulacin de

energa electroqumicos y en 1901 obtuvieron patentes para el acumulador de nquel-

cadmio y fero-nquel. Al principio se utilizaron "placas de alvolos" para ambos

electrodos, que todava existen en la actualidad con una forma similar. El material

activo estaba revestido por chapa de nquel perforada (el "alvolo").

En 1910, se emplea por primera vez el diseo de placa tubular, tambin denominada placa blindada, porque mejora considerablemente la retencin de los materiales

activos, al encontrarse stos entre un tubo de caucho endurecido y perforado y una

varilla de plomo en el centro.

Un paso decisivo para la divulgacin de la batera de nquel-cadmio fue el desarrollo

de su construccin hermtica. Con ella se obtena una batera completamente

hermtica que no requera mantenimiento y de la que no poda salir gas ni vapores

de electrolito. Los mbitos de mayor aplicacin de estas bateras son los pequeos

aparatos porttiles, ya que pueden utilizarse en cualquier lugar.

17

Electroqumica:

Energa y Ambiente

La construccin hermtica o estanca permiti superar un problema que tenan todas

las bateras con electrolitos acuosos; la inevitable electrlisis del agua con tensiones

de celda superiores a los 1,23 V. La consecuencia es la generacin de hidrgeno.

Edison ya haba obtenido en 1912 la patente para una batera de nquel-cadmio

hermtica en la que el hidrgeno y oxgeno se volvan a transformar en agua por

catlisis en un hilo de platino calentado. No obstante, el procedimiento result ser

irrealizable desde el punto de vista tcnico.

En los aos setenta se desarroll la batera de nquel-hidrgeno para el uso

aeroespacial. Su electrodo positivo es igual al de las bateras de nquel-cadmio. El

material activo del electrodo negativo cuando se encuentra cargada es hidrgeno en

forma de gas y cuando se encuentra descargada protones (H+), que son absorbidos

por los electrodos positivos al descargarse:

H2 + 2NiOOH 2Ni(OH)2

La reaccin requiere electrodos de metal noble (paladio, platino). Debido a la alta

presin interna cuando est cargada (de ms de 10 bar), la clula se incluye dentro

de un armazn de acero. Las bateras de nquel-hidrgeno son muy caras, pero cada

vez se utilizan ms en los satlites. Sus ventajas son: alta capacidad de

almacenamiento (aprox. 50 Wh/Kg), gran resistencia cclica (ms de 5.000 ciclos) e

insensibilidad a repetidas descargas totales.

Las bateras de nquel e hidruro metlico estn emparentadas con las bateras de

nquel-cadmio, slo que en lugar de cadmio, se utiliza hidrgeno como material

activo para el electrodo negativo. En los acumuladores de hidruro aleaciones de

determinados metales absorben el hidrgeno como hidruro y permiten el

almacenamiento del hidrgeno a baja presin. Las capacidades de almacenamiento

que se consiguen de ese modo son elevadas y pueden ser iguales a las cantidades

que pueden almacenarse en el mismo volumen como hidrgeno lquido. A principios

de los aos setenta se desarrollaron estas aleaciones con base de titanio para

18

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

vehculos con motores de combustin de hidrgeno. En las bateras, actualmente se

utilizan mayoritariamente aleaciones de lantano y ocasionalmente tierras raras.

En las bateras de nquel e hidruro de metal pueden almacenar entre 50 y 60 Wh/kg,

en grandes clulas con ms de 10 Ah de capacidad incluso ms de 80 Wh/Kg, un

valor que se encuentra ms de un 50 por ciento por encima de las bateras de nquel-

cadmio. La resistencia a ciclaje de ambos sistemas es la misma. No obstante,

existen inconvenientes a bajas temperaturas, ya que la liberacin retardada del

hidrgeno empeora la eficiencia de un alto flujo de descarga.

Fundamentos

Al examinar cada batera, se notara que tiene dos terminales; un terminal esta

marcado con el signo (+), positivo, mientras el otro terminal esta marcado con el

signo (-), negativo.

Los electrones fluyen desde el terminal negativo de la batera; si se conecta un cable de cobre entre el terminal negativo y el positivo, los electrones fluirn desde el

terminal negativo hacia el terminal positivo tan rpido como les sea posible agotando

rpidamente el contenido de electrones acumulado en el terminal negativo.

Esto ltimo, especialmente en las bateras grandes, resulta peligroso! Por

que?

Por el contrario, normalmente, se conecta una carga (equipo, dispositivo o

elemento; por ejemplo, una bombilla, un motor o un radio).

19

Electroqumica:

Energa y Ambiente

Dentro de la batera misma, una reaccin electroqumica produce electrones. La

velocidad de produccin de electrones por esta reaccin electroqumica depende de

la resistencia interna de la batera, y por tanto, controla el nmero de electrones

disponible para que fluyan a travs de la carga. Los electrones acumulados en el

terminal o borne negativo, esperan hasta que se establezca la ruta de conexin hacia

el terminal positivo. Esta es la razn por la cual una batera puede ser almacenada

por largos perodos de tiempo y aun poseer suficientes electrones acumulados en el

terminal negativo para poder accionar al dispositivo que acta como carga. Slo

cuando se establece la conexin es cuando los electrones pueden fluir a travs de la

carga transfiriendo as su energa.

Las Reacciones Qumicas en la Celda o Batera.

Es posible realizar experimentos sencillos empleando un voltampermetro de bajo

costo, que nos permitirn profundizar nuestro conocimiento acerca de las reacciones

electroqumicas que ocurren en las bateras. Slo se debe estar seguro de que el

voltampermetro sea capaz de medir bajos voltajes (menos de un voltio, 1V) y bajas

corrientes (de 5 a 10 miliamperios, mA).

La primera batera fue creada por Alejandro Volta en 1800. Para armar esta batera

Volta apil alternativamente lminas de zinc, papel absorbente empapado con una

solucin salina, y lminas de plata; tal como se muestra en el diagrama siguiente:

Figura 1.-Pila Voltaica

20

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

A este arreglo se le conoce desde entonces como pila voltaica o batera de celdas

voltaicas. Un aspecto que debe cuidarse en el diseo es que las laminas metlicas al

principio y final del arreglo sean diferentes; por ejemplo, que empiecen con zinc y

terminen con plata. Si se conecta un voltampermetro entre la lamina de arriba de la

pila y la del fondo, es entonces posible medir la diferencia de potencial Voltaje- y la

corriente flujo de electrones- que suministra la pila. La pila puede ser construida tan

alta como se desee; cada capa celda- incrementar el voltaje en un valor fijo.

Usando monedas de diferentes metales y papel absorbente comn es posible crear

una pila similar a la creada por Volta. En primer lugar, se prepara una solucin

saturada de sal comn y se empapa el papel absorbente con esta solucin. Luego se

apilan las monedas y papel alternativamente. Finalmente, medimos el voltaje y la

cantidad de corriente generada por nuestra batera casera. Otras alternativas

incluyen metales como el aluminio (papel aluminio por ejemplo) y acero o laminas de

zinc extradas de bateras comerciales. Cada combinacin producir un voltaje

diferente.

Otro experimento sencillo se puede realizar empleando un frasco de compotas o

alguna lata pequea vaca, algn cido diluido y alambres y clavos o tiras de metal.

Para esto se llena el envase con el cido seleccionado Jugo de limn, vinagre

(actico) o cido muritico (clorhdrico)- y se colocan dos piezas de metales

diferentes dentro del envase, sin que se toquen entre si. En caso de que se use un

envase metlico, se puede usar el mismo en sustitucin de una de las piezas de

metal para esto se deber eliminar de alguna manera el aislante que usualmente

recubre el interior del envase o lata.

A principios del siglo 17, antes de la invencin y perfeccionamiento del generador

elctrico (1870-1880), la Celda de Daniell, tambin conocida como celda de gravedad (debido a que la gravedad mantiene separados a los sulfatos que se

21

Electroqumica:

Energa y Ambiente

forman), celda hmeda o pata de cuervo (debido a la forma del electrodo de zinc)

era muy comn para poder operar telgrafos y timbres. La celda de Daniell estaba

constituida por placas de cobre y zinc y los sulfatos de cada uno de estos metales.

Figura 2.- Celda de Daniell

Para construir esta celda, la placa de cobre se coloca en el fondo de recipiente y una

solucin de sulfato de cobre es agregada sobre esta hasta llenar la mitad del envase.

Entonces se cuelga una placa de zinc sobre la solucin de sulfato de cobre y se

aade cuidadosamente una solucin de sulfato de zinc. La solucin de sulfato de

cobre es ms densa que la de sulfato de zinc; por esta razn, esta ltima flota por

sobre la primera sin mezclarse. Indudablemente este diseo funciona muy bien para

aplicaciones o instrumentos fijos, pero no para instrumentos en movimiento.

22

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

En las bateras modernas se emplean una amplia variedad de sustancias qumicas;

algunos ejemplos incluyen:

Zinc-carbn Tambin conocida como batera estndar de carbn. La qumica de la batera de zinc-carbn se usa en todas las bateras secas AA, C, y D. En estas celdas el electrolito usado se mezcla con carbn formando

una pasta cida. Esta es una batera primaria; es decir, no recargable

Alcalina - Usada en las bateras Duracell y Energizer comunes. Los electrodos son de zinc y xido de manganeso, inmersos en un electrolito

alcalino. Es una batera primaria.

Plomo -cido - Usadas en automviles, en estas bateras los electrodos son de plomo y una placa de xido de plomo inmersos en un cido fuerte como

electrolito. Es una batera recargable (secundaria).

Nquel-cadmio En esta batera los electrodos son de hidrxido de nquel y de cadmio. El electrolito es hidrxido de potasio acuoso. Es una batera

secundaria (recargable).

Nquel-hidruro de metal Esta batera est remplazando rpidamente a la batera de nquel-cadmio debido a que no sufre del denominado efecto

memoria. Esta es una batera secundaria.

In-litio Esta batera, con una muy buena relacin potencia / peso, es usada comnmente en computadoras porttiles y telfonos celulares. Es una batera

recargable.

Zinc-xido de mercurio Esta batera es usada muy a menudo en dispositivos de ayuda auditiva.

Plata-zinc Este tipo de batera es empleada fundamentalmente en aplicaciones aeronuticas debido a Buena relacin potencia / peso.

Metal-cloruro Su uso fundamental es en los vehculos elctricos.

23

Electroqumica:

Energa y Ambiente

Una de las bateras ms sencillas que se puede construir es la denominada batera

zinc /carbn. Veamos cuales son los procesos que ocurren dentro de esta batera:

1. Si se coloca una barra de zinc dentro de un envase que contiene cido

sulfrico se ver que la barra de zinc comienza a disolverse mientras se

forman burbujas de hidrgeno sobre el zinc. A medida que este proceso

avanza, todo el sistema se calienta. Todo este proceso consiste de varias

etapas:

a. Las molculas de cido en solucin se disocian en tres iones: dos

protones (H+) y un anin (SO42- ): H2SO4 2H+ + SO42-

b. Los tomos de zinc en la superficie de la barra pierden dos electrones

(2e-) para convertirse en iones Zn++: Zno Zn2+ + 2e

c. Los iones de Zn++ se combinan con los aniones SO4 para producir

ZnSO4, el cual se disuelve de nuevo en el cido:

d. Zn2+ + SO42- ZnSO4 Zn2+ + SO42-

e. Los electrones de los tomos de zinc se combinan con los protones

para producir molculas de hidrgeno. 2H+ + 2e H2

2. Si se introduce una barra de carbn en el cido, no se observar efecto

alguno sobre el mismo. Pero si se conectan la barra de zinc con la de carbn

dos fenmenos ocurren:

a. Los electrones fluyen a travs del cable y se combinan con los protones

sobre la barra de carbn, de manera que se comienza a observar

burbujas de hidrgeno sobre la barra de carbn.

b. El sistema se calienta menos que en el caso de la barra de zinc

sumergida en cido dado que parte de la energa de los electrones es

consumida en el movimiento a travs del cable conector. Mediante este

arreglo es posible proporcionarle energa a una bombilla para

iluminarla.

24

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

Los electrones se toman el trabajo de moverse a travs del cable, desde la barra de

zinc hasta la barra de carbn porque encuentran ms fcil combinarse con los

protones sobre la barra de carbn. Eventualmente la barra de zinc se disuelve

completamente o los protones en solucin se agotan y la batera muere (deja de

funcionar). Esta celda zinc / carbn tiene un voltaje o diferencia de potencial

caracterstica de 0,76 Voltios.

En cualquier batera ocurre e mismo tipo de reaccin electroqumica y los electrones

se mueven de un electrodo (polo) a otro. El tipo de metales empleados y los

electrolitos controlan la diferencia de potencial de la celda; ya que cada semi

reaccin tiene un voltaje caracterstico. Otro ejemplo lo tenemos en las bateras de

los vehculos.

En estas bateras, las celdas estn constituidas por un electrodo (placa) de plomo y

otro electrodo de dixido de plomo, inmersos en una solucin concentrada de cido

sulfrico. Los procesos o fenmenos que ocurren e esta batera, durante la descarga,

son los siguientes:

En el nodo, el plomo (Pbo) se oxida y se combina con SO4= para producir

PbSO4 ms un par de electrones; es decir:

Pbo + SO42- Pb2+ + SO42- + 2e

En el ctodo, el dixido de plomo (PbO2), los iones hidrnio (H+), y los iones

sulfato (SO42-) ms los electrones provenientes de la placa de plomo producen

PbSO4 y agua sobre la placa de dixido de plomo.

PbO2 + 4 H+ + SO42- + 2e PbSO4 + 2H2O

A medida que la batera se descarga, ambas placas producen PbSO4 (sulfato de

plomo), y agua. El voltaje caracterstico desarrollado entre estas dos placas es de

cerca de 2 voltios por celda, de manera que combinando apropiadamente seis celdas

25

Electroqumica:

Energa y Ambiente

se puede obtener una batera de 12 voltios.

La batera plomo / cido tiene una caracterstica llamativa; a diferencia de la batera

de zinc / carbn, su reaccin electroqumica es completamente reversible. Si se

aplica una corriente elctrica a esta batera a un potencial adecuado, se reforman la

placa de plomo y de dixido de plomo; de manera que, la batera puede ser

recargada varias veces. En la batera de zinc-carbn, no existe manera de revertir

la reaccin ya que el gas hidrgeno se separa y escapa.

Arreglos de Bateras En casi la mayora de los dispositivos en los que se usan bateras, no se usa una

sola batera sino un conjunto de ellas al mismo tiempo. Normalmente, se las agrupa

en serie para elevar e voltaje o en paralelo para elevar la corriente. En los arreglos

en serie, los voltajes individuales de cada batera se suman. En el arreglo en

paralelo, las corrientes generadas por cada batera individual se suman. Los

siguientes diagramas muestran grficamente cada uno de estos arreglos.

Figura 3.- Arreglos de celdas

26

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

El arreglo superior es denominado arreglo paralelo. Si se asume que cada batera

produce 1.5 voltios, entonces cuatro bateras en paralelo producen 1,5 voltios, pero

cuatro veces ms corriente. El arreglo inferior se denomina arreglo en serie. Los

voltajes individuales de cada batera se suman dando como resultado un valor de 6

voltios, pero la cantidad de corriente es la misma que para una sola batera.

La figura siguiente muestra batera comn de 9 voltios. Ella esta constituida por seis

pequeas bateras de 1,5 voltios cada una en un arreglo en serie.

Figura 4.- Constitucin de una batera comercial de 9 voltios

Normalmente, cuando se compra una batera, esta indica su voltaje y la cantidad de

corriente que suministra; por ejemplo, una batera de nquel-cadmio de 1,25 voltios

puede suministrar hasta 500 miliamperios por hora por celda (mA/h). Esto ultimo

indica que la batera es capaz de producir 500 miliamperios (mA) en una hora; o lo

que es lo mismo, 5 miliamperios durante 100 horas (h).

Sin embargo, las bateras no generan estas corrientes de manera lineal durante su

tiempo de vida, ellas generan una corriente mxima que decae con el tiempo.

Adems, por razones de limitaciones cinticas de las reacciones involucradas y de la

masa involucrada, una batera de 500 miliamperios-hora no puede producir 30,000

miliamperios en un segundo. Adicionalmente, cuando las corrientes muy altas

generan mucho calor; lo cual deteriora a la batera y consume parte de su energa.

27

Electroqumica:

Energa y Ambiente

CCCOOOMMMPPPOOONNNEEENNNTTTEESSS BBBSSSIIICCCOOOSSS E

Puede definirse la batera como un dispositivo que convierte la energa qumica

contenida en los materiales activos, en energa elctrica por medio de reacciones

electroqumicas de oxidacin y reduccin.

La unidad bsica de este sistema se denomina celda o elemento, reservando el

nombre de batera a la unin de dos o ms celdas conectadas en serie o paralelo, o

de ambas formas.

La celda est constituida por los siguientes componentes bsicos:

a) Electrodos.

b) Electrolito.

c) Separadores.

d) Elemento

Electrodos

Los electrodos de las bateras pueden ser del tipo elemental, por ejemplo, metales

nobles o no metales como los electrodos de carbn, o pueden ser placas que tienen

dos partes:

a) La rejilla.

b) El material activo.

La rejilla hace de soporte mecnico del material activo y es el conductor elctrico de

la corriente generada. Hay que tener en cuenta varias caractersticas a la hora de

disear una rejilla:

a) Elevada conductividad elctrica.

b) Buena adherencia en la interfase rejilla-/ material activo.

c) Elevada resistencia mecnica.

28

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

d) Buena resistencia frente a la corrosin

e) Elevado sobrepotencial de desprendimiento de gases (potencial de

ruptura).

El material activo suele prepararse en forma de pasta, con una determinada

consistencia que permita su aplicacin a la rejilla. Para elegir el material andico y

catdico ms adecuado hay que considerar las siguientes propiedades:

a) Elevado potencial.

b) Buena estabilidad frente al electrodo

c) Fcil fabricacin y bajo costo.

d) Elevada eficacia de la reaccin electroqumica.

e) Bajo peso

f) Adecuada porosidad y alta cohesin.

Electrodo negativo

Tambin llamado nodo, es el que durante la descarga de la batera se oxida y los

electrones producidos en la reaccin salen al circuito exterior. En el caso del

acumulador Pb-cido, el electrodo negativo est constituido principalmente por

plomo, y en el caso del acumulador alcalino de nquel-cadmio, el electrodo negativo

corresponde al cadmio.

En general, puede decirse que cuando la batera se encuentra cargada, el electrodo

negativo est formado por metales, los cuales se oxidan durante el proceso de

descarga.

29

Electroqumica:

Energa y Ambiente

Electrodo positivo

Tambin llamado ctodo es el que, durante la descarga, se reduce aceptando

electrones del circuito exterior. En el caso del acumulador Pb-cido, el electrodo

positivo est formado por dixido de plomo (PbO2), y en el caso del acumulador

nquel-cadmio, el electrodo positivo corresponde al xido de nquel (NiO).

Cuando la batera se encuentra cargada, los electrodos positivos generalmente se

corresponden con xidos que se reducen durante el proceso de descarga.

Electrolito

Es un conductor inico que permite la transferencia de electrones en el circuito

interior por medio del desplazamiento de los iones entre el nodo el ctodo.

Normalmente el electrolito es una solucin acuosa de un cido, una base o sus

sales.

En el acumulador Pb-cido, el electrolito se compone de una solucin del 37 % de

cido sulfrico (densidad 1,280 gr/cm3), y en el acumulador de nquel-cadmio, el

electrolito es una solucin del 25 por 100 de hidrxido potsico (densidad 1,260

gr/cm3).

Entre las propiedades que deben tenerse en cuenta en la eleccin. del electrolito

estn las siguientes:

a) Buena estabilidad trmica

b) Alta conductividad inica.

c) Bajos efectos corrosivos en los electrodos.

d) Bajo nivel de impurezas

30

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

Separadores

La funcin de los separadores es aislar las placas de diferente polaridad evitando el

cortocircuito en el interior de la celda, al mismo tiempo de permitir el paso de iones a

su travs. Para lograr estos objetivos se necesitan materiales porosos que resista las

condiciones agresivas del medio (electrolito, materiales activos). Entre las

propiedades que se exigen a los separadores cabe destacar:

a) Buena resistencia mecnica.

b) Alta resistencia a la oxidacin.

c) Elevado poder aislante.

d) Adecuada porosidad y permeabilidad.

e) Ausencia de impurezas y contaminantes.

Son varios los materiales que se utilizan en la fabricacin de separadores de las

bateras denominadas de automvil (acumulador Pb-cido) como son:

a) Material celulsico con fibras de vidrio.

b) Polister.

c) Polietileno.

d) Elemento

Las placas y separadores deben ensamblarse para formar lo que se denomina

elemento, que est formado por dos conjuntos de placas de diferente polaridad,

donde las placas positivas y negativas van alternndose y estn aisladas por los

separadores. Las placas de la misma polaridad se unen elctricamente por medio de

la tira de conexin. La capacidad del elemento es una funcin de:

a) Superficie de la placa.

b) Espesor de la placa.

c) Nmero de placas.

31

Electroqumica:

Energa y Ambiente

La celda se compone de un elemento; electrolito, monobloque, tapa, tapones y

conexiones. Cuando se necesita una tensin mayor que la del propio elemento se

unen los elementos en serie, pasando del concepto de celda al de batera. De la

ebonita, material empleado antiguamente para los monobloques y tapas, se ha

pasado a la utilizacin de nuevos materiales como el polipropileno, que presenta las

siguientes caractersticas:

a) Elevada resistencia mecnica y qumica.

b) Buena caracterstica dielctrica.

c) Alta resistencia trmica.

d) Facilidad para la soldadura tapa-monobloque.

e) Aptitud para el moldeo.

f) Posibilidad de utilizacin de material translcido.

Con el fin de evitar que los gases que se producen durante el final de la carga de la

batera, arrastren consigo gotas de electrolito, las tapas disponen de tapones con

diseos especficos para evitar este problema. Recientemente se han diseado

bateras que llevan una vlvula en lugar del tapn lo que permite utilizarlas en

cualquier posicin.

OOOPPPEEERRRAAACCCIIINNN DDDEE LLLAAA CCCEEELLLDDDAAA E

La operacin bsica de una celda es la produccin de energa elctrica en el proceso

de descarga. Si el sistema es reversible, hay que contemplar otra operacin bsica:

la carga, donde por medio de una corriente elctrica externa se vuelve a los

materiales iniciales.

32

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

Descarga

Cuando una batera o celda es conectada a un consumo, carga o una resistencia

externa, se produce un flujo de electrones que van desde el polo negativo hacia el

polo positivo a travs del circuito exterior.

En el polo negativo se produce una reaccin de oxidacin de la materia activa,

generndose cationes que emigran a travs del electrolito y separador, hacia el polo

positivo o ctodo.

En el polo positivo se produce una reaccin de reduccin del material activo debido a

los electrones que proceden del polo negativo. Se generan aniones que emigran, a

travs del electrolito y del separador, hacia el polo negativo o nodo.

El circuito elctrico se cierra por el paso de electrones por el exterior la celda y el

movimiento de iones por el interior de la celda.

Carga

En aquellas celdas que son reversibles, es posible regenerar los materiales activos

transformados durante la descarga a su estado inicial, conectando la celda o batera

a una fuente de corriente continua, uniendo el polo positivo y negativo de la fuente al

polo positivo y negativo de la batera respectivamente. Se produce un flujo de

electrones por el circuito exterior, y de iones en el interior de la celda, en direccin

inversa a la operacin descarga.

33

Electroqumica:

Energa y Ambiente

UUUNNNIIIDDDAAADDDEEESSS DDDEEE VVVOOOLLLTTTAAAJJJEEE YYY CCCAAAPPPAAACCCIIIDDDAAADDD...

Voltaje o tensin

Cuando un electrodo se sumerge en un electrolito, se produce una interaccin entre

ambo, originndose una diferencia de potencial en la interfase metal-electrolito. Esta

diferencia de potencial se denomina Potencial o Tensin de electrodo y su valor se

mide en voltios. (V)

El potencial de electrodo slo se puede medir por diferencia contra otro electrodo

denominado Electrodo de Referencia. Cuando el electrodo de referencia es el

electrodo estndar de hidrgeno, el potencial medido es el potencial estndar. Una

celda electroqumica (galvnica o voltaica) est constituida por la combinacin

adecuada de un par de electrodos. La diferencia de potencial entre estos dos

electrodos cuando no circula corriente- es igual a la diferencia de los potenciales

estndar de electrodo para cada electrodo por separado. En el caso de la pila de

Daniell, el valor del potencial de celda sera:

Electrodo negativo (Zn/ZnSO4) Zn2+ + 2e Zn Eo= -0.76 V Electrodo negativo (CuSO4/Cu) Cu2+ + 2e Cu Eo= 0.34 V

La reaccin global de esta celda y su potencial son:

Cu2+ + Zn Cu + Zn2+ Ecelda=0,34 (-0,76) = 1,10 V

Capacidad

La capacidad de una celda es la cantidad total de electricidad producida en la

reaccin electroqumica y se define en unidades de culombios (C ) o amperios-hora

(Ah). En el caso de las bateras la unidad de capacidad mide en Ah.

La capacidad es determinada por la masa activa de los electrodos y es determinada

por la ley de Faraday: Un equivalente-gramo de maten produce 96 500 C o 26,8 Ah.

34

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

Se define capacidad terica al valor:

CT = xnF

x = Nmero de moles que intervienen en la reaccin completa

descarga.

n = Nmero de electrones que intervienen en la reaccin.

F = Nmero de Faraday (96 500 C).

La capacidad real (CR), valor obtenido en la prctica, es inferior a capacidad terica

debido a que la utilizacin de los materiales activos nunca es del 100 %.

La capacidad se mide en la prctica descargando la celda a una intensidad constante

(I) hasta alcanzar un valor especfico de la tensin entre bornes (tensin de corte). El

valor de la capacidad es el producto de intensidad de descarga (amperios) por .la

duracin de la descarga (horas)

Tambin es ampliamente usado en la comparacin de los diferen1 sistemas el

trmino capacidad especfica, que es el valor de la capacidad dividida por el peso de

la celda y se mide en Ah/Kg.

35

Electroqumica:

Energa y Ambiente

CCCLLLAAASSSIIIFFIIICCCAAACCCIIINNN DDDEEE LLLAAASSS BBBAAATTTEEERRRAAASSS F

Existen varios criterios para clasificar las bateras:

a) Por la posibilidad de carga

(primarias y secundarias).

b) Por tipo de electrodo (Pb-cido,

bateras de litio, nquel).

c) Por la forma de uso (porttiles y

estacionarias).

d) Por el tipo de electrolito (acuoso

y no acuoso, alcalinas, cidas).

e) Por su tamao (desde mWh

hasta MWh).

f) Por sus aplicaciones (arranque,

traccin, nivelacin de picos,).

36

Electroqumica: Energa y Ambiente

En funcin de la capacidad de las bateras de ser elctricamente recargadas se

clasifican en:

a) Bateras primarias, no recargables o irreversibles.

b) Bateras secundarias, recargables o reversibles.

Bateras primarias

Son aquellas no son susceptibles de recibir carga elctrica y, por tanto, se descargan

una sola vez. La mayora de los sistemas primarios utilizan un separador absorbente

que mantiene el electrolito retenido, por lo que tambin se denominan pilas secas.

Las caractersticas ms representativas de las bateras primarias son:

a) Baja auto-descarga.

b) Alta densidad de energa.

c) Fcil utilizacin y sin mantenimiento.

d) Bajo precio comparado con sistemas recargables equivalentes.

La baja auto-descarga de estos sistemas permiten su utilizacin despus de largos

perodos de almacenamiento, al contrario de lo que ocurre con los sistemas

secundarios, que necesitan de recargas peridicas cuando son almacenados.

Las aplicaciones ms usuales de las bateras primarias son:

a) Iluminacin.

b) Equipos de fotografa

c) Dispositivos electrnicos y elctricos porttiles (radio, walkman).

d) Juguetes.

e) Memoria

37

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

Bateras secundarias

Estos sistemas, tambin llamados acumuladores, pueden ser recargados

elctricamente despus de su descarga hasta alcanzar su condicin inicial, para lo cual

son conectados a un sistema de carga que genera una corriente elctrica en direccin

opuesta a la descarga

Las caractersticas ms significativas de las bateras secundarias son:

a) Buena aptitud para descargas de alta intensidad.

b) Buen comportamiento a bajas temperaturas.

c) Alta densidad de potencia.

PPPRRROOOCCCEEESSSOOOSSS DDDEEELLL EEELLLEEECCCTTTRRROOODDDOOO

La reaccin electroqumica que ocurre sobre los electrodos o proceso del electrodo es

la transferencia de electrones entre un electrodo y los iones presentes en la fase

electroltica.

En una celda electroqumica las reacciones que tienen lugar son de oxidacin y

reduccin. Tomando como ejemplo la pila de Daniell, representada esquemticamente

anteriormente, las reacciones que tienen lugar en descarga son:

Polo negativo: El metal cede electrones al circuito exterior, se produce la oxidacin y la

reaccin es:

Zn Zn2+ + 2e Los iones de zinc pasan a la solucin.

Polo positivo: El metal recibe electrones del circuito exterior producindose una

reduccin

Cu2+ + 2e- Cu

38

Electroqumica: Energa y Ambiente

Tiene lugar un electro depsito de los iones sobre el electrodo. La reaccin global del

proceso de descarga es:

Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu

En el proceso de descarga, el polo negativo se denomina tambin nodo. y el positivo

ctodo, debido a que en ellos tienen lugar las reacciones andicas y catdicas

respectivamente.

En los sistemas reversibles es posible conectar la celda a una fuente carga. En este

caso las reacciones del electrodo se producen en sentido inverso.

En una celda en carga el polo negativo es el ctodo, y el positivo nodo, al contrario de

la celda en descarga.

Existen gran nmero de principios y leyes que forman parte de Electroqumica, entre

ellas hay que destacar por su importancia en el funcionamiento de una batera:

1. Leyes de Faraday.

2. Ecuacin de Nernst.

Leyes de Faraday

Las leyes de Faraday dicen que la cantidad de especie qumica que es oxidada o:

reducida en una celda electroqumica, es proporcional a la cantidad carga elctrica

transferida a travs de la interfase metal-electrolito. La expresin de la ley es:

nFtiN =

Siendo:

N: Nmero de moles oxidados o reducidos.

i: Densidad de corriente.

t: Tiempo en que pasa la corriente por la celda.

39

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

F: Constante de Faraday, 96500 coulombs/equiv-gramo

n: Nmero de electrones transferidos.

La capacidad de una batera, definida como la cantidad de corriente que es capaz de

suministrar en un determinado tiempo ser:

== nFNidtQ

En la batera se debe aplicar la Ley de Faraday al electrodo positivo y negativo, y el que

proporcione el valor ms bajo, ser el electrodo que controla la capacidad obtenida.

Ecuacin de Nernst

La tensin de una batera en circuito abierto depende de las actividades de las

sustancias que intervienen en la reaccin y viene expresada por la Ley de Nernst:

(Reaccionantes) bB + cC dD + eE (Productos)

cC

bB

eE

dDo

aaaa

nFRTEE ln+=

Siendo:

Eo: Fuerza electromotriz estndar

R: Constante de los gases.

T: Temperatura absoluta.

n: Nmero de electrones.

F: Constante de Faraday.

a: Actividades de las sustancias que intervienen en la reaccin

Conforme se va alcanzando el final de la descarga, la cantidad de productos de la

reaccin aumenta a costa de los reaccionantes, por ello al final de la descarga, la

tensin en circuito abierto de la celda ser inferior al valor inicial.

40

Electroqumica: Energa y Ambiente

Si se requiere que la tensin en circuito abierto de una batera parcialmente descargada

no cambie con respecto al valor inicial, es necesario utilizar materiales activos slidos,

para que los valores de la actividad no se modifiquen durante la descarga.

CCCIIINNNEEETTTIICCCAA YYY PPPOOOLLLAAARRRIIIZZZAAACCCIIIOOONNN I A

Cuando una celda suministra una corriente elctrica, se produce una cada de tensin

en sus terminales que se denomina polarizacin o sobrepotencial. Este trmino tambin

se aplica al aumento de la tensin, sobre el valor de equilibrio, que se produce cuando

una celda reversible es sometida aun proceso de carga.

En descarga:

El potencial del polo negativo se hace ms positivo y el potencial el polo positivo se

hace ms negativo; los potenciales de ambos electrodo tienden por lo tanto a igualarse.

En carga

En carga ocurre el fenmeno contrario, por lo que los potenciales ambos electrodos se

distancian y aumenta la tensin de la celda.

La polarizacin es una medida de la dificultad para que tenga lugar \ reaccin

electroqumica. Las reacciones en un electrodo son complejas tienen varios pasos

como son:

1. Las especies electroactivas deben ser transportadas a la superficie del

electrodo.

2. Las especies electroactivas pueden ser absorbidas en el electrodo y

puede ocurrir el proceso de rotura o formacin de un enlace.

3. Transferencia de electrones

Puede haber reacciones qumicas con cintica independiente del potencial del

electrodo. La velocidad de la reaccin electroqumica estar dada por la velocidad del

proceso ms lento del total que componen la reaccin global.

41

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

Celdas de combustible

El inevitable final de las reservas de petrleo y las dificultades para obtener en las

prximas dcadas energa abundante y limpia obliga a buscar combustibles

alternativos. Las celdas de combustible parecen ser la solucin ms convincente.

En general, se trata en realidad de un proceso sencillo, inverso a la electrlisis del

agua. En ella, mediante la aportacin de energa, el agua se descompone en oxgeno e

hidrgeno. Recordemos que la reaccin de electrlisis es la siguiente:

2H2O + energa -------> 2H2 + O2

En la celda de combustible, el proceso es inverso. Si se aportan oxgeno e hidrgeno,

en la celda de combustible se consigue que reaccionen y formen agua, liberando

energa elctrica, que se puede utilizar para hacer girar un motor. Esta es la expresin

grfica de la reaccin:

2H2 + O2 ----------> 2H2O + energa

De manera que una celda de combustible es un dispositivo electroqumico cuyo

concepto es similar al de una batera. Consiste en la produccin de electricidad

mediante el uso de qumicos, que en el caso ms sencillo son hidrgeno y oxgeno;

donde el hidrgeno acta como elemento combustible, y el oxgeno es obtenido

directamente del aire.

42

Electroqumica: Energa y Ambiente

Figura 5.- Funcionamiento de la celda de combustibles

Como podemos observar cuando el hidrgeno es ionizado pierde un electrn y al ocurrir

esto ambos (hidrgeno y electrn) toman diferentes caminos hacia el segundo

electrodo. El hidrgeno migra hacia el otro electrodo a travs del electrlito mientras

que el electrn lo hace a travs de un material conductor. Este proceso producir agua,

corriente elctrica y calor til.

La principal diferencia existente entre una pila seca de las que se emplean en la vida

cotidiana y una celda de combustible es que, en esta ltima y al contrario que en la

anterior, los reactivos no son parte integrante de la pila, sino que se alimentan desde el

exterior en forma continua. As, la pila funcionar mientras se alimenten tanto el

combustible como el oxidante.

Tambin pueden ser usados otros tipos de combustibles que contengan hidrgeno en

su molcula, tales como el gas metano, metanol, etanol, gasolina o diesel entre otros

Debido a que la generacin de energa elctrica es directa, la eficiencia que alcanza una celda de combustible puede ser muy elevada, adems al no tener partes en movimiento son muy silenciosas. Sumado a todo esto hay que agregar que la celda de combustible no usa la combustin como mecanismo de generacin de energa, lo que la hace prcticamente libre de contaminacin. Las celdas de combustible individuales pueden combinarse para producir motores ms potentes impulsados por ejemplo a hidrgeno. Pueden ser fabricadas de

43

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

distintos tamaos y para distintas aplicaciones que van desde su uso en telefona celular, hasta el uso de stas para impulsar automviles

FFFUUUNNNCCCIIIOOONNNAAAMMMIIIEEENNNTTTOOO

El funcionamiento de una celda de combustible consiste bsicamente en la oxidacin

del hidrgeno en agua, generando energa elctrica y calor directamente, sin pasar por

generadores u otros artefactos. Toda celda de combustible est compuesta por un

nodo, un ctodo y electrolitos. Sin embargo, siendo la oxidacin del hidrgeno igual

para todos los tipos de celdas de combustible, los materiales usados en stas son muy

variados.

La reaccin producida da lugar a la formacin de electricidad, calor y agua. Esto se logra alimentando el hidrgeno en el nodo de la celda y el oxigeno en el ctodo, los cuales estn separados por una membrana electroltica. La reaccin se produce dentro de la celda misma. La produccin de agua toma lugar en distintas partes de la celda dependiendo del electrolito utilizado. El hidrgeno fluye hacia el nodo de la celda, donde una cubierta de platino ayuda a quitar los electrones a los tomos de hidrgeno dejndolo ionizado, o sea, en forma de protones ( H+). La membrana electroltica permite el paso solo de los protones hacia el ctodo. Debido a que los electrones no pueden pasar a travs de la membrana, se ven forzados a salir del nodo por un circuito externo como forma de corriente elctrica, sta es la corriente elctrica que se utiliza para hacer funcionar los artefactos. Luego, a medida que el ctodo deja fluir a travs de l al oxgeno, ste se combina con los protones y los electrones anteriormente citados para formar agua. Como esta reaccin naturalmente est desplazada hacia la formacin de agua, cuando se produce, se libera energa en forma de calor. Esta una reaccin positiva y por lo tanto exotrmica.

El proceso qumico que se lleva a cabo es el siguiente:

44

Electroqumica: Energa y Ambiente

nodo: 2H2 4H+ + 4e-

Ctodo: 4e- + 4H+ + O2 2H2O

Reaccin completa: 2H2 + O2 2H2O

Esta operacin se puede hacer de manera continua si los suministros de componentes

se hacen en forma constante y a un rgimen de flujo estable. En este tipo de operacin,

al hacerse en forma isotrmica, las limitaciones termodinmica para el rendimiento no

existen (Ciclo de Carnot).

TTTIIIPPPOOOSSS DDDEEE CCCEEELLLDDDAAASSS DDDEEE CCCOOOMMMBBBUUUSSSTTTIIIBBBLLLEEE

cido Fosfrico (PAFC)

Este es el tipo de celda de combustible ms desarrollado a escala comercial y ya se

encuentra en uso en aplicaciones tan diversas como clnicas, hospitales, hoteles,

edificios de oficinas, escuelas y plantas elctricas. Las celdas de combustible de cido

fosfrico generan electricidad a mas del 40% de eficiencia - y cerca del 85% si el vapor

que sta produce es empleado en cogeneracin comparado con el 30% de la ms

eficiente mquina de combustin interna. Este tipo de celdas puede ser usado en

vehculos grandes como autobuses y locomotoras.

Polmero Slido (PEM)

Estas celdas operan a relativamente bajas temperaturas (unos 200F), tienen una

densidad de potencia alta, pueden variar su salida rpidamente para satisfacer cambios

en la demanda de potencia y son adecuadas para aplicaciones donde se requiere una

demanda inicial rpida, tal como en el caso de automviles. Son los principales

candidatos para vehculos ligeros, edificios, y potencialmente para otras aplicaciones

mucho ms pequeas como el reemplazamiento de bateras recargables en vdeo

cmaras.

45

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

CCCAAARRRBBBOOONNNAAATTTOOO FFFUUUNNNDDDIIIDDDOOO (((MMMCCCFFFCCC)))

Las Celdas de Combustible de Carbonato Fundido prometen altas eficiencias

combustible-electricidad y la habilidad para consumir combustibles base carbn. Esta

celda opera a temperaturas del orden de los 1,200F.

Oxido Slido (((SOFC)))

Es una celda de combustible altamente prometedora, podra ser utilizada en

aplicaciones grandes de alta potencia incluyendo estaciones de generacin de energa

elctrica a gran escala e industrial. Algunas organizaciones que desarrollan este tipo de

celdas de combustible tambin prevn el uso de stas en vehculos motores. Las

unidades que se abrigan van desde 25 hasta 100kw de potencia. Un sistema de xido

slido normalmente utiliza un material duro cermico en lugar de un electrolito liquido

permitiendo que la temperatura de operacin sea muy elevada. Las eficiencias de

generacin de potencia pueden alcanzar un 60%.

Alcalinas

Utilizadas desde hace mucho tiempo por la NASA en misiones espaciales, este tipo de

celdas pueden alcanzar eficiencias de generacin elctrica de hasta un 70%. Estas

celdas utilizan hidrxido de potasio como electrolito. Hasta hace poco tiempo eran

demasiado costosas para aplicaciones comerciales pero varias compaas estn

examinando la forma de reducir los costos y mejorar la flexibilidad en su operacin.

Otras Celdas de Combustible Nuevos miembros de la familia de Celdas de Combustible, tales como las de Metanol

Directo, pueden surgir como resultado investigaciones que estn siendo realizadas en

laboratorios privados y gubernamentales.

Produccin de hidrgeno

El hidrgeno a ser utilizado en las celdas de combustible puede obtenerse a partir de

varias formas, utilizando diversos equipamientos y combustibles.

46

Electroqumica: Energa y Ambiente

Produccin de hidrgeno a partir de energa solar. En el ciclo del hidrgeno solar la electricidad producida por los mdulos solares opera

un equipo de electrlisis que divide el agua en sus dos componentes elementales,

hidrgeno (H2) y oxgeno (O2). El oxgeno se libera al aire y el hidrgeno se bombea a

los tanques, donde es almacenado en el lugar de produccin.

Produccin de hidrgeno a partir de metano (CH4). Cuando la cantidad de energa requerida es importante, como por ejemplo para

abastecer una industria, edificios, etc, lo ms conveniente es adoptar un sistema

alimentado a gas natural o metano. Este sistema se basa en la oxidacin del metano

produciendo dixido de carbono e hidrgeno, el cual pasa a alimentar las celdas de

combustible. Generalmente las celdas de combustible tienen una eficiencia del 40%,

por otro lado un procesador de combustible tiene una eficiencia de aproximadamente el

80%. Por lo tanto la eficiencia total del sistema "procesador + celda de combustible" es

de alrededor del 30%.

La produccin de hidrgeno a partir de metano se basa en la siguiente reaccin

qumica:

CH4 + H2O CO + 3H2CO + H2O CO2 + H2CH4 + 2H2O 4H2 + CO2

ventajas

Muchas son las caractersticas que hacen de las celdas de combustible una de

las alternativas ms ventajosas para la obtencin de energa.

Sus altas eficiencias rozan el 80% cuando adems de electricidad se recupera

calor. Este valor supera ampliamente las eficiencias de otros sistemas convencionales.

Adems, la energa producida es 100% limpia, ya que el nico producto que se obtiene

es agua o vapor de agua dependiendo de la temperatura de operacin del dispositivo.

47

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

Otra de sus ventajas es que pueden conectarse en paralelo para suplir cualquier

requerimiento energtico. Las celdas de combustible adosadas a un procesador

permiten obtener energa a partir de combustibles corrientes como alcoholes, gas

natural y combustibles de origen fsil, as como tambin a partir de biomasa o de la

fraccin orgnica recuperada de residuos slidos domiciliarios.

De todas formas, el combustible mas conveniente termina siendo el hidrgeno, ya que

es el que ms energa entrega por unidad de masa (141 mJ/Kg). Adems, el hidrgeno

puede obtenerse fcilmente por electrlisis del agua.

Beneficios ofrecidos por el Uso de Celdas de Combustible

Limpias y Eficientes: Las celdas de combustible podran reducir de manera dramtica la contaminacin del aire urbano, reducir importaciones en los pases que as obtienen

este energtico, reducir el dficit comercial y generar empleos.

Nuevos Mercados: Los mercados para Celdas de Combustible aplicadas a la

generacin de potencia podran exceder $9 billones de USD alrededor del mundo para

el ao 2007.

Seguridad Energtica: La dependencia energtica de algunos pases como los

EE.UU. es muy alta y las importaciones de crudo se proyectan en crecimiento.

Solamente los vehculos consumen 10 millones de barriles diarios de petrleo,

equivalente al 85% de las importaciones del mismo de ese pas. Si slo 20% de

vehculos usaran celdas de combustible, los EE.UU. reduciran sus importaciones de

petrleo en 1.5 millones de barriles diariamente.

Y lo ms importante ya que celda de combustible opera como una batera, puede generar electricidad combinando hidrgeno y oxgeno electroqumicamente sin ninguna combustin. A diferencia de las bateras, una celda de combustible no se agota ni requiere recarga. Producir energa en forma de electricidad y calor mientras se le provea de combustible. El nico subproducto que se genera es agua 100% pura.

48

Electroqumica: Energa y Ambiente

EXIGENCIAS LEGALES EN EL CAMPO DE LA SEGURIDAD y MEDIO AMBIENTE DE LAS BATERIAS La mayora de las bateras contienen elementos txicos y peligrosos, como son el

mercurio, cadmio, plomo, litio, etc., por lo que supone un riesgo potencial tanto en

fabricacin como en el uso y en el tratamiento como residuo. Esto hace que las bateras

estn contempladas en las leyes o reglamentos que tratan sobre sustancias peligrosas.

Los metales pesados txicos ms conocidos son el mercurio, el plomo, el cadmio y el talio. Tambin se suele incluir un semimetal o metaloide como es el arsnico y, en raras ocasiones, algn no metal como el selenio. A veces tambin se habla de contaminacin por metales pesados incluyendo otros

elementos txicos ms ligeros, como el berilio o el aluminio.

En el proceso productivo hay que tener en cuenta dos aspectos:

1. Seguridad en el trabajo.

2. Contaminacin medio ambiente.

En cuanto a la utilizacin de bateras hay que considerar aspectos como el etiquetado,

envasado, almacenamiento y uso de las mismas. En cuanto a la eliminacin de

residuos hay que tener en cuenta la eliminacin de Residuos Txicos y Peligrosos

El reciclado de pilas y acumuladores es materia de gran inters por su impacto

ecolgico, que debe ser subvencionado, ya que el valor de los metales recuperados

casi nunca cubre los costos del reciclaje. Adems de la proteccin del medio ambiente,

el reciclado de bateras permite la reduccin de los residuos urbanos y facilita su

tratamiento; tambin tiene importancia el ahorro de los recursos naturales.

En el reciclado es importante la logstica de recoleccin de bateras y pilas para que el

volumen de material a tratar sea suficientemente grande para reducir los costes del

proceso. Es importante que se realicen campaas de sensibilizacin de la poblacin

para evitar que los productos txicos se mezclen con los residuos urbanos. La

49

Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Qumica

recoleccin se debe realizar a travs de recipientes especiales situados junto a

contenedores de vidrio o papel usado o ubicados en supermercados, tiendas

especializadas (fotografa, aparatos electrnicos), colegios, etc.

Los componentes con riesgo potencial que llevan las bateras son:

a) Mercurio y sus compuestos

b) Metales pesados y sus compuestos (Pb, Cd, etc)

c) Litio metal.

Es conocido el riesgo para la salud que tiene la inhalacin de vapores de mercurio. Hay

que aadir tambin el derivado de la transformacin del xido de mercurio si es

absorbido por el hombre. Los cationes de metales pesados (Cd, Pb, Hg,) son txicos en

concentraciones bajas y tienen tendencia a acumularse en los seres vivos, con el

agravante de que no son biodegradables. Las pilas tipo botn contienen mercurio y

plata, elementos que pueden ser recuperados en unidades especializadas de

destilacin. Las bateras de Ni/Cd se deben tratar en centros de reciclaje

especializados; El cadmio es un metal sumamente txico.

El cadmio es un metal blanco azulado, relativamente poco abundante. Es uno de los metales ms txicos, aunque podra ser un elemento qumico esencial,

necesario en muy pequeas cantidades. La toxicidad que presenta es similar a la

del mercurio; posiblemente se enlace a residuos de cistena. La metalotionena,

que tiene residuos de cistena, se enlaza selectivamente con el cadmio. La

exposicin al cadmio en los humanos se produce generalmente a travs de dos

fuentes principales: la primera es la va oral (por agua e ingestin de alimentos

contaminados.) La segunda va es por inhalacin. La poblacin fumadora es la

ms expuesta al cadmio, porque los cigarrillos lo contienen.

Las bateras Pb-cido deben ser tratadas en las refineras de plomo. Las pilas

Leclanch y alcalinas, cuyo principal metal es el zinc, con presencia de pequeas

cantidades de Hg y Cd, hacen que su recuperacin sea di