La pila alcalina és una bateria en la qual el pH de la seva composició electrolítica és bàsic. Aquesta és la principal diferència entre aquesta pila i moltes altres on els seus electròlits són àcids; com passa amb les piles de zinc-carboni que fan servir sals de NH 4 Cl, o fins i tot àcid sulfúric concentrat en les bateries dels automòbils.
És també una pila seca, ja que els electròlits bàsics es troben en forma de pasta amb un baix percentatge d'humitat; però el suficient per permetre una migració dels ions participants en les reaccions químiques cap als elèctrodes, i així, completar el circuit d'electrons.
Font: Mike Mozart via Flickr.
A la imatge superior es té una pila de 9V de Duracell, un dels exemples més coneguts de piles alcalines. Com més gran sigui la pila, més gran serà el seu temps de vida i capacitat de treball (especialment si estan destinades a artefactes que consumeixen molta energia). Per artefactes petits, es tenen les piles AA i AAA.
Una altra diferència a part de l'pH de la seva composició electrolítica, és que, recarregables o no, duren en general més temps que les piles àcides.
Components de la pila alcalina
A la pila de zinc-carboni, hi ha dos elèctrodes: un de zinc, i l'altre de carboni grafítico. En la seva "versió bàsica" un dels elèctrodes en comptes de ser de grafit, consisteix d'òxid de manganès (IV), MnO 2 barrejat amb grafit.
La superfície de tots dos elèctrodes es van consumint i recobrint dels sòlids resultants de les reaccions.
Font: Lead holder, from Wikimedia Commons
Així mateix, en lloc d'una llauna amb superfície homogènia de zinc com a contenidor de la cel·la, es té una sèrie de discos compactes (imatge superior).
Al centre de tots els discos jeu una vareta de MnO 2, a l'extrem superior sobresurt una arandela aïllant i marca el terminal positiu (càtode) de la pila.
Cal notar que els discos es cobreixen d'una capa porosa i una altra metàl·lica; aquesta última pogués ser també una pel·lícula prima de plàstic.
La base de la pila constitueix al terminal negatiu, on el zinc s'oxida i allibera els electrons; però aquests necessiten d'un circuit extern per arribar fins al cim de la pila, la seva terminal positiu.
La superfície de l'zinc no és llisa, com passa amb les cel·les de Leclanché, sinó rugosa; és a dir, presenten molts porus i un gran àrea superficial que augmenten l'activitat de la pila.
electrolitos bàsics
La forma i estructura de les piles canvien d'acord a el tipus i disseny. No obstant això, totes les piles alcalines tenen en comú un pH bàsic de la seva composició electrolítica, el qual es deu a l'addició de NaOH o KOH a la barreja pastosa.
Realment, són els ions OH - els que participen en les reaccions responsables de l'energia elèctrica aportada per aquests objectes.
funcionament
Quan la pila alcalina s'ha connectat amb l'artefacte i s'encén, immediatament el zinc reacciona amb l'OH - de la pasta:
Zn (s) + 2OH - (ac) => Zn (OH) 2 (s) + 2e -
Els 2 electrons alliberats per l'oxidació de l'zinc viatgen cap al circuit extern, on s'encarreguen de fer marxa el mecanisme electrònic de l'artefacte.
Després, tornen a la pila a través del terminal positiu (+), el càtode; és a dir, recorren l'elèctrode de MnO 2 -grafito. Com la pasta posseeix certa humitat, té lloc la següent reacció:
2MnO 2 (s) + 2H 2 O (l) + 2e - => 2MnO (OH) (s) + 2OH - (ac)
Ara el MnO 2 es redueix o guanya els electrons de l'Zn. És per aquesta raó que aquest terminal correspon a l'càtode, que és on ocorre la reducció.
Cal notar que l'OH - es regenera a la fi de l'cicle per tornar a donar inici l'oxidació de l'Zn; en altres paraules, es difonen en el medi de la pasta fins a entrar en contacte novament amb el zinc polvoritzat.
Així mateix, no es formen productes gasosos, com passa amb la pila de zinc-carboni on es genera NH 3 i H 2.
Arribarà un punt on tota la superfície de l'elèctrode quedarà coberta pels sòlids de Zn (OH) 2 i MnO (OH), posant fi a la vida útil de la pila.
piles recarregables
La pila alcalina descrita no és recarregable, de manera que un cop "morta" no hi ha com tornar a utilitzar-la. Això no és així amb les recarregables, les quals es caracteritzen per tenir reaccions reversibles.
Per revertir els productes a reactius, s'ha d'aplicar un corrent elèctric en sentit contrari (no de l'ànode a càtode, sinó de l'càtode a l'ànode).
Un exemple d'una pila alcalina recarregable és la NiMH. Aquesta consisteix d'un ànode de NiOOH, el qual perd electrons que es dirigeixen a l'càtode d'hidrur de níquel. Quan s'utilitza la pila es descarrega, i és aquí on ve la frase coneguda "carregar la bateria".
Així, pot recarregar centenars de vegades, segons sigui necessari; però, no pot revertir completament el temps i arribar a les condicions originals (la qual cosa seria antinatural).
Així mateix, no pot recarregar-se d'una manera arbitrària: s'ha de seguir les pautes recomanades pel fabricant.
És per això que tard o d'hora aquestes piles també moren i perden la seva eficàcia. No obstant, presenta l'avantatge de no ser ràpidament un sol ús, contribuint menys a la contaminació.
Altres bateries recarregables són les de níquel-cadmi i les de liti.
usos
Font: Pxhere.
Algunes variants de les piles alcalines són tan petites que poden usar-se en rellotges, controls remots, rellotges, ràdios, joguines, ordinadors, consoles, llanternes, etc. D'altres, són més grans que una figureta d'un clon de Star Wars.
De fet, al mercat són aquestes les que predominen sobre altres tipus de piles (al menys per a usos casolans). Duran més i generen més electricitat que les piles convencionals de Leclanché.
Si bé la pila zinc-manganès no conté substàncies tòxiques, altres piles, per exemple les de mercuri, obren un debat sobre les seves possible impacte sobre l'ambient.
D'altra banda, les piles alcalines funcionen molt bé en un ampli rang de temperatures; inclusivament pot treballar per sota dels 0 ° C, de manera que són una bona font d'energia elèctrica per a aquells artefactes que es veuen envoltats de gel.
referències
- Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgànica. (Quarta edició). Mc Graw Hill.
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8va ed.). Cengage Learning.
- Bobby. (10 de maig de 2014). Learn More About Most Dependable Alkaline Batteries. Recuperat de: upsbatterycenter.com
- Duracell. (2018). Preguntes freqüents: ciència. Recuperat de: duracell.mx
- Boyer, Timothy. (19 d'abril del 2018). What Is the Difference Between Alkaline & Non-Alkaline Batteries? Sciencing. Recuperat de: sciencing.com
- Michael W. Davidson and The Florida State University. (2018). The Alkaline-Manganese Battery. Recuperat de: micro.magnet.fsu.edu