Estudio de la Pila SecaEnviado pormariana castilloAnuncios
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1. Introduccin2. Marco terico3. Anlisis de los resultados de las
tareas4. Marco metodolgico5. Conclusiones y recomendaciones6.
Referencias7. AnexosIntroduccinAl momento que se analiza el entorno
dondeel hombrededesarrolla, se observa que lasplantas crecen,
losanimalesse trasladan y que lasmquinasyherramientasrealizan las
ms variadas tareas. Todas estas actividades tienen en comn que
precisan delconcursode la energa. La energa es una
propiedadasociada a los objetos y sustancias, stase manifiesta en
las transformaciones que ocurren en lanaturalezacomo en
loscambiosfsicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo,
deformarlo o calentarlo.En este sentido, esta tambin est presente
en los cambios qumicos, como al quemar un trozo demaderao en la
descomposicin deaguamediante la corriente. Laenergapuede
manifestarse de diferentes maneras: en forma demovimiento(cintica),
de posicin (potencial), decalor, de electricidad, de radiaciones
electromagnticas, etc. Segn sea el procesoSe puede sealar tambin,
que laelectricidades una de las principales formas de energa usadas
en elmundoactual. Sin ella no existira lailuminacin conveniente,
nicomunicacionesderadioytelevisin, niserviciostelefnicos, y las
personas tendran que prescindir de aparatos elctricos que ya
llegaron a constituir parte integral delhogar. Adems, sin la
electricidad eltransporteno sera lo que es en laactualidad. De
hecho, puede decirse que la electricidad se usa en todas partes.
Tal es el caso de Las bateras opilascomo comnmente se les conoce,
que tiene ms de 200 aos de existencia, desde su
primermodeloprimitivo hasta lo modernosproductosque existen en la
actualidad, comopilasalcalinas, pilas recargables, etc.Paraefectos
de estainvestigacin, es importante acotar que las pilas secas son
un mecanismo que convierte la energaqumicaen elctrica, Las pilas
primarias constan de productos qumicos no pueden volver a su forma
original una vez que la energa ha sido convertida, es decir, que
las pilas se han descargado. Al analizar esta situacin nos lleva a
concluir en algunas dudas como lo es el hecho de saber dnde surge
este curioso invento? Cmo est estructurada una pila? Cmo es su
funcionamiento? Qu voltaje nos pueden generar algunas de estas
pilas? Cules son las magnitudes elctricas? Estas interrogantes
generan unaseriedeobjetivosen los cuales basaremos la
investigacin.OBJETIVOS DE LA INVESTIGACINObjetivo General Demostrar
el funcionamiento de una pila a travs de una maquetaObjetivos
especficos Investigar laevolucinhistrica de la pila y los
diferentes tipos de pilas que existen.Tareas: 1.Revisin documental
en labibliotecaRmulo Gallegos. 2.Investigacin en material online.
3.Recorrido por diversas ferreteras para observar las pilas que se
encuentran en elmercado. Describir laestructurainterna de una pila
a travs de una maqueta explicativa.Tareas: 1.Revisin documental del
material investigado. 2.Realizacin del boceto de la maqueta
explicativa. 3.Compra de losmaterialesnecesarios para la elaboracin
de la maqueta. 4.Elaboracin de la maqueta explicativa. Explicar el
funcionamiento de la pila utilizando como recurso una
maqueta.Tareas: 1.Revisin documental del material investigado.
2.Resolver un ejercicio donde se calcule la cantidad de wats que
genera una pila. 3.Organizacinde laexposicindentro del aula de
clases.
RBOL DE OBJETIVOS:CRONOGRAMA DE TAREAS:
Marco tericoEVOLUCIN HISTRICA DE LA PILAAlrededor de los aos
1800, Elprofesordefilosofanatural en launiversidadde Pavia
Alessandro Volta, creador de la unidad demedicinde ladiferencia de
potencial o voltios, construy el primer aparato conocido que
genercorriente continua. Lo que hizo fue poner dos pequeos discos
del tamao de una moneda pequea,unode plata y el otro de zinc en un
recipiente, separados por un material esponjoso como elcuero. Todo
este conjunto estaba sumergido en agua salada o en otra solucin
alcalina. A este conjunto le podemos llamar una pila. Volta despus
de dio cuenta de que si pona estas pilas una seguida de otra,
unidas por tiras demetalse lograba que el voltaje final fuera
mayor.En 1813, Sir Humphrey Davy conecto una batera gigante en el
stano de laSociedadReal Britnica. Esta batera estaba hecha de 2,000
pares de platinas y tena el tamao de ms o menos 100 m2. Con esta
batera realiz muchosexperimentosque permitieron un ms
profundoconocimientode la naturaleza de la electricidad.Poco a poco
los cientficos fueron mejorando la idea original de la batera de
Volta y en 1860 George Leclanche deFranciadesarrollola primera
batera utilizada ampliamente (la clulade zinc carbn) El nodo era de
zinc y una aleacin demercurioy el ctodo era un compuesto de dixido
de magnesio y un poco de carbn. Ambos: nodo y ctodo fueron
sumergidos en una solucin de cloruro de amonio, que actuaba como
electrolito. Elsistemafue llamado: "laclulamojada". Aunque la idea
de Leclache era barata fue desplazada en 1880 por la clula seca.En
el ao 1920 un joven cientfico, Samuel Rubn y un tambin
jovenempresariollamado Philip Rogers Mallory se conocieron cuando
Rubn visit la fbrica de Mallory buscando un equipo que necesitaba
para un experimento. Juntos vieron el futuro en susproyectosy
unieron la inventiva de uno con elpoderdemanufacturadel otro. Esta
unin que se mantuvo hastala muertede Mallory en 1975 fue la base
dela empresaque todos conocen comoDuracell International.Las
invenciones de Samuel Rubens revolucionaron latecnologade las
bateras. El creo la clula de mercurio que era mucho ms eficiente
que la que se utilizaba antes de zinc carbn. Este invento fue
especialmente til en la segundaguerramundial.En el ao 1950 Samuel
Rubn mejor la batera alcalina de magnesio hacindola ms resistente,
compacta y de una gran duracin.LaempresaKodakintrodujo cmaras
conflashincorporado y necesitaba este tipo de pilas pero en el
tamao AAA. La empresa Mallory las cre.Tipos de pilasLas pilas
pueden ser de forma cilndrica, prismtica o de forma de botones,
dependiendo de la finalidad a la cual se la destine. Existen muchos
tipos de pilas, estas en resumidas palabras se dividen en las
primariaso pilas que son aquellas que una vez agotadas no es
posible recuperarel estadode carga. Y las secundariaso bateras, son
las que en las que la transformacin de la energa qumica en elctrica
es reversible, por lo que se pueden recargar. Por tanto la cantidad
de residuos generados es mucho menor.Su categora se seala con
letras que normalmente vienen impresas en las pilas. La mayora de
las pilas y bateras contienen sustancias que hacen que, una vez
estos productos llegan al final de su vida til, se conviertan en
residuos peligrosos. Entre los elementos peligrosos para
lasaludyambienteque stas pueden contener se encuentran el mercurio,
plomo y cadmio. A continuacin se mencionan algunos de los tipos de
pila que existen hoy da en el mercado:Zinc carbn:Son las pilas
comunes, las llamadas secas, estas se fabrican desde principio de
siglo. Se conocen tambin como pilas salinas o deleclanch. Estas
constan de 5 unidades principales: la mezcla despolarizada, la
pasta gelatinosa, el elemento decarbono, la capa dezincy elemento
sellado. Estas pilas contienen muy poco mercurio (aproximadamente
0,01%) o directamente no contienen. En este saco se comercializan
con designacin que hacen referencia a estas caractersticas como
"verdes", "ecolgicas", "green".Pilas alcalinas:Son de larga duracin
o larga vida. Casi todas viven blindadas, sirven para aparatos
complejos, de altoconsumo. Contienen el 0,04% de mercurio,
electrodo positivo o nodo est formado porzincdividido, mientras que
el ctodo contiene dixido de magneto. Electrolito es un alcal, de
donde viene el nombre de pilas alcalinas.Pilas en miniaturas o
pilas botn:Son chatas, redondas y de tamaos reducidos, como
botones. Laindustriaelectrnicarequiere de ella, dad vez ms. Se
utilizan para audfonos, marcapaso, aparatos mdicos, relojes y
calculadoras. Entre ellas se puede encontrar. Pilas botn de
mercurio:pueden identificarse con la siglaMR.Garantizan energa por
largotiempo, contienen un 30% de mercurio. Pilas botn de zinc-aire:
Se las distingue por tener gran cantidad de agujeros diminutos en
su superficie, fue concebida aprincipiosde los 70 como alternativa
a las pilas botn de mercurio como ofrece mejoresprestacionesy mayor
capacidad, pero cuenta con una importante limitacin como que para
funcionar debe estar en contacto con el aire, por lo que sus
aplicaciones son registradas. En el campo de lamedicina, estas
pilas ocupan prtesismecnicas. Pilas botn litio: Son las ms grandes
tipo botn. Producen tensiones altas de 3 rilteos. Sirven para
calculadoras y relojes. Pilas botn de oxido de plata: Son diminutas
y se distinguen por la sigla SR se las encuentra muy poco en los
comercios ya que por su altopreciono constituyen una alternativa
econmica, contienen 1% de mercurio.Pilas de nicad nquel y cadmio:
Recientemente se ha empleado con mayor frecuencia un nuevo tipo de
pila seca-Nicadque puede ser recargada, por lo tanto tiene una vida
til mucho ms prolongada que las pilas secas comunes(leclanch) - Se
emplean en calculadoras, pulseras, relojes y equipos fotogrficos.
El nodo es de cadmio y ctodo de xido de nquel.Partes de una pilaA
continuacin se describen las partes internas que conforman una pila
seca, con sufuncin, visible tambin en el anexo AContenedor: Es el
recipiente deaceroque contiene los ingredientes de la pila y que
forma el ctodo, una parte de la reaccin qumica.Ctodo: es el
electrodo negativo, en el cual los iones (tomos cargados
elctricamente) qu se dirigen del nodo al ctodo reciben el nombre de
cationes, es una mezcla de dixido de manganeso y carbn. Los ctodos
son electrodos reducidos por una reaccin qumica.nodo: es el
terminal positivo en que la corriente elctrica viaja en sentido
positivo al negativo por el circuito externo, o sea transportada
por cargas positivas. Es el zinc metal en polvo, son electrodos que
se oxidan. Los iones que se dirigen del ctodo al nodo tienen el
nombre de aniones...Separador:es el que se encuentra entre nodo y
ctodo es de una capa no-tejidadecelulosao de un polmero sinttico.
El separador debe permitir el paso de los iones y permanecer
estable en la disolucin de electrolito altamente
alcalina.Electrodos:es donde se lleva a cabo la reaccin
Electro-QumicaElectrolito: es una solucin de hidrxido de potasio en
agua. El electrolito es el medio para el movimiento de los iones
dentro de la celda y lleva la corriente dentro de la pila.Colector:
es un alfiler de bronce en el medio de la celda que conduce la
electricidad hacia el circuito exterior.Funcionamiento de una pila
secaEl funcionamiento de una pila es sencillo, consiste bsicamente
en introducir electrones en uno de los extremos de un alambre y
extraerlos por el otro. La circulacin de los electrones a lo largo
del alambre constituye la corriente elctrica. Para que se produzca,
hay que conectar cada extremo del alambre a una placa o varilla
metlica sumergida en un electrolito que suele ser una solucin
qumica de algn compuesto inico. Cuando ese compuesto se disuelve,
las molculas se dividen en iones positivos y negativos, que se
mantienen separados entre s por efecto de las molculas del lquido.
El electrolito que utiliz Volta era cido sulfrico; cada una de sus
molculas, al disolverse en agua, se descompone en dos
protonesH+(iones positivos) y un ion sulfatoSO4-(ion negativo). Las
varillas metlicas decobrey cinc constituyen los electrodos, que
deben ser sumergidos en el electrolito sin que lleguen a entrar en
contacto. La placa de cobre es el electrodo positivo o nodo y la
placa de cinc el electrodo negativo o ctodo.Al reaccionar el
electrolito con las varillas se produce una transmisin de
electrones, que han sido extrados de la placa de cinc, hacia la
placa de cobre, con lo que los tomos de cinc son oxidados e
incorporados a la disolucin, segn la reaccin:Zn > Zn2++ 2e-Esto
ocurre as y no al revs, del cobre al cinc, porque los tomos de cinc
tienen ms tendencia que los de cobre a ceder electrones.En la
varilla de cobre se produce una reduccin de los ioneshidrgenoH+de
la disolucin, ya que los electrones liberados por los tomos de cinc
recorren el hilo conductor hacia la placa de cobre y son captados
por losH+, que se convierten en tomos de hidrgeno y escapan en
forma degas. Estos electrones en movimiento son los que originan la
corriente elctrica.Por su parte, los ionesSO4-reaccionan con los
cationesZn2+y se convierten en molculas de sulfato de cinc.2 H~+2e
---> H2Zn2++ SO42- ---> ZnSO4Cuando se corta la conexin
exterior entre las placas, los electrones no pueden desplazarse a
lo largo del hilo de una placa a a otra, con lo que se interrumpe
la reaccin. Este fenmeno es visible y explicado grficamente en el
Anexo B.El dispositivo funciona mientras existan tomos de cinc para
formar el sulfato correspondiente. Cuando la placa de cinc se ha
desintegrado por completo ya no puede producirse la reaccin, por lo
que la pila ya no tiene uso. Por este motivo, las pilas de este
tipo reciben el nombre de pilas primarias.Magnitudes elctricas La
electricidad tiene tres magnitudes, que si bien, no son visibles,
pero si son cuantificables, estas son:Voltaje: Es lafuerzacon la
que circula la electricidad, su unidad es el voltio (V) y para
medirlo se utiliza el voltmetro. El voltio es la unidad principal
de medida del voltaje, pero tiene mltiplos y submltiplos y las
unidades de equivalencia para el voltaje se describen a
continuacin: Milivoltio ( mv ) 0,001 V. Voltio ( V ) 1 V.
Kilovoltio (Kv) 1.000 VIntensidad: Es la cantidad de electricidad
que circula por un conductor en un tiempo determinado y depende
principalmente del consumo del receptor, su unidad es el amperio
(A) , para medirlo se utiliza el ampermetro.La intensidad se mide
en serie para cualquier circuito elctrico, el cable positivo al que
lleva la corriente y el cable negativo al que va hasta el
receptor.las unidades de equivalencia de la intensidad son: Amperio
(A) 1 A Miliamperio ( ma ) 0,001 A Microamperio (&a) 0,000001
AEl amperio es una unidad muy grande, ( es el desplazamiento de
unos 6 trillones de electrones en un segundo ) y no tiene mltiplos,
pero s que se utilizan submltiplos.Voltaje de las pilas
secasResulta que las pilas se fabrican en diferentes estndares
definidos, de tal manera que su utilizacin sea universal segn los
requerimientos; o sea un aparato que dice necesitar pilas "AA" esta
consiste en una celdaelectroqumicade 51 milmetros da largo (sin
considerar el terminal en fobvrma de botn), con alrededor de 14
milmetros de dimetro. El voltaje de la pila AA es de
aproximadamente 1,5 Volts o en el caso de las recargables 1,2
Volts. Lo que vara es su capacidad; esta se mide en miliamperios
por hora, que es la medida mAh en la pila, lo que determina su
duracin y uso. La pila AAA, es un estndar, tal como en el caso
anterior, pero de menor tamao, tpico para controles remotos. Esta
mida 44,5 milmetros de largo, con un dimetro de 10,5 milmetros, y
tiene tambin 1,5 Volts, tal como la AA y las recargables entregan
1,2Volts. Su capacidad es menor, estando en los 1000 mAh, un poco
ms o un poco menos, lo que las hace apropiadas para aparatos de
menor consumo.Anlisis de los resultados de las tareas
Marco metodolgicoEsta investigacin est estructurada por
unaintroduccin, objetivos generales y especifico, seguido de un
rbol de Objetivos donde se sealan las tareas a realizar, mas
explicadas en el cronograma de tareas, luego elmarco tericoy el
marco metodolgico con su estructura enmarcada, consecutivamente
elanlisisde los resultados obtenidos de las tareas, las
conclusiones y recomendaciones, seguida de las referencias
bibliogrficas y para finalizar los anexos.Para logar los objetivos
planteados en esta investigacin, se formularon una serie de tareas
descritas a continuacinObjetivo 1. Investigar la evolucin histrica
de la pila y los diferentes tipos de pilas que existen.Conclusiones
y recomendacionesLuego de recolectar y analizar una amplia gama de
informacin, a travs de una serie de tareas planteadas para el logro
de los objetivos propuestos, se puede concluir con que se denomina
pila a unsistema compuesto por diversos elementos fsicos y qumicos
necesarios para desencadenar una reaccin qumica que al
transformarse enenerga elctricagenera un voltaje til para el uso
cotidiano de la sociedad.Como se observo durante la investigacin
existen muchos tipos de pilas y bateras, que luego de un desarrollo
a travs de lahistoriase llego a lo se ve en el mercado hoy en da,
se analizo la estructurafsicay el complejoprocesode transformacin
de la energa de algo tan comn como una simple pila , esta genera
distintos voltajes segn su estructura interna y que se encuentra en
el mercado a disponibilidad de cualquierconsumidor, aunque tambin
se observo que es un artculo de muchautilidad, pero con efectos
contaminantes almedio ambienteya que Segn estudios especializados,
una pila demercuriopuede llegar a contaminar 600.000 litros deagua,
una de zinc 12.000 litros, una de xido de plata 14.000 litros y una
pila comn 3.000 litros si deja mal ubicada en algn lugar expuesto
al medio ambiente. Al descomponerse la capa protectora que recubre
una pila, se liberan losmetalesque contienen y entonces se
producela contaminacin.Se recomienda darle el uso adecuado a este
objeto de tanta utilidad y desecharlo en los lugares
correspondientes, para evitar lacontaminacindel medio ambiente, y
dar a conocer ms el funcionamiento y estructura interna de la pila
a travs de derecursosdidcticos como la maqueta, ya que es ms
complejo de lo que comnmente se cree.ReferenciasArias, F. (2006).
Elproyectode investigacin. Caracas. Episteme.Fernndez Mills, G;
Fernndez Ferrer,
J.(1993).Electricidad,teoradecircuitosymagnetismo.1 ed.EdicinUPC:
Aula ETSEIB, 4.Guerrero I. (2005) La pila o batera (Pila casera)
Disponible
en:http://www.monografias.com/trabajos26/la-pila/la-pila.shtml#biblioHann,
Judith.(1981).Los amantes de laciencia. 1 ed. Ed Blume.Material
Online. Historia de la pila Disponible en:
http://www.energizer.cl/learning-center/battery-historyTipler.(1994)Fsica.
Vol II.Traduccinde la tercera edicin Nord-Americana. Ed
Revert.AnexosANEXO AExplicacin grafica de las partes internas de
una pila seca
ANEXO BExplicacin grafa del funcionamiento de una pila seca
ANEXO CProblema resuelto en la tarea 3.2Calculo de la cantidad
de la carga en Wats que producen dos pilas secas.Voltios (1,5) x
Cantidad de pilas x Los Amperios (0,3)1,5x2x0,3= 0,9W ----> Eso
son los wats que producen las dos pilas.Ese resultado se transforma
a kwh (kilo wats hora)Es decir;
Pila Leclanch
Una ilustracin de 1919 de una pila o celda Leclanch.Lapila
Leclanchocelda Leclanches unacelda electroqumicaprimaria que fue
inventada ypatentadaporGeorges Leclanchen 1866. Contena
unadisolucinconductora (electrolito) decloruro de amonio,
unctodo(polo positivo) decarbono, un despolarizador dedixido de
manganeso, y unnodo(terminal negativo) de zinc.1La pila Leclanch
era esencialmente una versin independiente de una batera de tierra,
y su diseo fue bastante copiado.2La qumica de esta celda fue ms
tarde adaptada con xito para la fabricacin depilas
secas[editar]Celda de vasija porosaEn la celda Leclanch original,
el despolarizador, que consista endixido de manganesoapelmazado,
estaba empaquetado en una vasija porosa, y una barra de carbono se
introduca en el centro para que actuase como ctodo. El nodo, que
era una barra dezinc, estaba sumergido junto con la vasija anterior
en una disolucin decloruro de amonio. La disolucin lquida actuaba
como elelectrolito, que penetraba a travs de la vasija porosa para
hacer contacto con el ctodo.
Otro diseo de la pila Leclanch, el elemento o celda
Leclanch-Barbier, con el electrodo de zinc en el centro de un
bloque de aglomerado que contena el dixido de
manganeso.3[editar]Celda de bloques de aglomeradoEn 1871, Leclanch
prescindi de la vasija porosa y la reemplaz por un par de "bloques
de aglomerado", adjuntos a la placa de carbono por bandas degoma.
Estos bloques estaban hechos de una mezcla dedixido de manganesocon
aglutinantes y presionando la mezcla en los moldes.[editar]Celda de
sacoEn esta celda la vasija porosa fue reemplazada por una
envoltura detela de sacooarpillera. Adems, la barra de zinc fue
sustituida por un cilindro de zinc para conseguir una mayor rea
superficial. . Tena una menorresistencia internaque cualquiera de
los anteriores (vasija porosa y bloques de
aglomerado).[editar]Qumica de la pila LeclanchEl proceso qumico que
produce electricidad en una pila Leclanch comienza cuando los tomos
de zinc en la superficie del nodo se oxidan, es decir, pierden dos
de sus electrones y quedan cargados positivamente como iones Zn2+.
Como los iones zinc (II) son solubles en el electrolito, difunden y
se alejan del nodo, dejando a sus electrones en su superficie, por
lo que el nodo adquiere una carga ms negativa que el ctodo.4Cuando
la clula se conecta en un circuito elctrico externo, el exceso de
electrones del nodo de zinc fluye por el circuito hasta la barra de
carbono que acta de ctodo: este movimiento o flujo de los
electrones forma la corriente elctrica externa, capaz de ser usada
para diferentes aplicaciones.Cuando los electrones llegan a la
barra de carbono, se combinan con el dixido de manganeso y el agua,
que reaccionan entre s para producirxido de manganeso (III)e iones
hidrxido con carga negativa. Esto va acompaado de una reaccin
secundaria en la que los iones de hidrxido negativos reaccionan con
los iones positivos de amonio presentes en el electrolito decloruro
de amoniopara producir molculas deamonacoyagua.Zn(s)+ 2 MnO2 (s)+ 2
NH4Cl(aq) ZnCl2 (aq)+ Mn2O3 (s)+ 2 NH3 (aq)+ H2OLas semirreaciones
de esta reaccin redox son las siguientes:Semirreaciones en la pila
Bunsen
Electrodo (signo)Proceso qumicoSemirreaccinPotencial (V)
nodo (electrodo negativo)Oxidacin del ZnZn(s) Zn2+(aq) +
2e-E=+0,76 V
Ctodo (electrodo positivo)Reduccin del MnO2+2MnO2(s) +H2O+ 2e-
Mn2O3(s) + 2OH-E=+0,95 V
Reaccin en el electrolitoHidrlisis de los iones amonio2
[[hidrxido|OH-+ 2NH4Cl(s) 2H2O+ 2 NH3 (aq)+ 2 Cl-(aq)
[editar]AplicacionesLa fuerza electromotriz (fem) producida por
una celda Leclanch est alrededor de 1,5 voltios con una resistencia
de varios ohmios cuando se usa el diseo original con vasija porosa.
Se aplic muy extensamente en los comienzos de latelegrafa, para
aplicaciones de sealizacin, timbres elctricos y otros usos
similares donde era necesaria una corriente intermitente y era
deseable que la batera requiriese poco mantenimiento.La pila
Leclanch (o celda hmeda como tambin se la denomina) fue la
precursora de la modernapila seca de zinc-carbono.
