- Estructura de la pila seca
- elèctrodes
- terminals
- Sorra i cera
- funcionament
- Oxidació de l'elèctrode de zinc
- Reducció de l'clorur d'amoni
- Descàrrega
- referències
Una pila seca és una bateria el medi electrolític consisteix en una pasta i no una dissolució. Aquesta pasta, però, posseeix cert nivell d'humitat, i per tals raons no és estrictament seca.
La poca quantitat d'aigua és suficient com perquè els ions es desplacin i, per tant, es produeixi el flux d'electrons a l'interior de la pila.
Font: Emilian Robert Vicol via Flickr.
La seva enorme avantatge sobre les primeres piles humides, és que a l'tractar-se d'una pasta electrolítica, no pot vessar el seu contingut; cosa que sí ocorria amb les piles humides, les quals eren més perilloses i delicades que les seves homòlogues seques. Davant la impossibilitat de vessaments, la pila seca troba ús en nombres dispositius portàtils i mòbils.
A la imatge superior es té una pila seca de zinc-carboni. Més exactament, és una versió moderna de la pila de Georges Leclanché. De totes, és la més comuna i potser la més simple.
Aquests dispositius representen una comoditat energètica pel fet de disposar a la butxaca energia química que pot transformar-se en electricitat; i d'aquesta manera, no dependre de preses de corrents o l'energia subministrada per les grans plantes elèctriques i la seva vasta xarxa de torres i cables.
Estructura de la pila seca
Quina és l'estructura d'una pila seca? A la imatge es pot apreciar la seva coberta, la qual no és més que una pel·lícula polimèrica, acer, i els dos terminals les volanderes aïllants sobresurten de l'front.
No obstant això, aquesta és només la seva aparença externa; en el seu interior jeuen les seves parts més importants, les que garanteixen el seu bon funcionament.
Cada pila seca tindrà les seves pròpies característiques, però es considerarà només la pila de zinc-carboni, de la qual pot esquematitzar una estructura general per a totes les altres bateries.
S'entén per bateria la unió de dues o més piles, i aquestes últimes són cel·les voltaiques, com s'explicarà en un pròxim apartat.
elèctrodes
Font: Wikipedia
A la imatge superior es mostra l'estructura interna d'una pila de zinc-carboni. Sense importar quina sigui la cel voltaica, sempre hi ha d'haver (d'ordinari) dos elèctrodes: un on es desprèn electrons, i un altre que els rep.
Els elèctrodes són materials conductors de l'electricitat, i perquè hi hagi corrent, tots dos han de tenir electronegativitats diferents.
Per exemple, el zinc, llauna de color blanc que tanca la pila, és d'on parteixen els electrons cap al circuit elèctric (dispositiu) on aquesta es connecta.
D'altra banda, en tot el medi es troba l'elèctrode de carboni grafítico; immers així mateix en una pasta composta de NH 4 Cl, ZnCl 2 i MnO 2.
Aquest elèctrode és el que rep els electrons, i cal notar que té el símbol '+', el que significa que és el terminal positiu de la pila.
terminals
Com s'observa per sobre de la vareta de grafit en la imatge, hi ha el terminal elèctric positiu; i avall, de la llauna interna de zinc d'on flueixen els electrons, el terminal negatiu.
És per això que les piles porten marques '+' o '-' per indicar la manera correcta d'connectar-les a el dispositiu i així, permetre que s'encengui.
Sorra i cera
Tot i que no es mostri, la pasta està protegida per una sorra amortidora i un segell de cera que impedeix que, davant impactes mecànics lleus, o agitació, es vessi o entri en contacte amb l'acer.
funcionament
Com funciona una pila seca? Per començar, és una cel·la voltaica, és a dir, genera electricitat a partir de reaccions químiques. Per tant, dins de les piles ocorren reaccions redox, on les espècies guanyen o perden electrons.
Els elèctrodes serveixen com una superfície que facilita i permet el desenvolupament d'aquestes reaccions. Depenent de les seves càrregues, pot donar-se l'oxidació o reducció de les espècies.
Per comprendre millor això, s'explicarà únicament els aspectes químics que tanca la pila de zinc-carboni.
Oxidació de l'elèctrode de zinc
Tot just s'encengui l'artefacte electrònic, la pila alliberarà electrons mitjançant l'oxidació de l'elèctrode de zinc. Això pot representar-se amb la següent equació química:
Zn => Zn 2+ + 2e -
Si hi ha molt Zn 2+ envoltant a l'metall, ocorrerà una polarització per càrrega positiva, de manera que no hi haurà més oxidació. Per tant, el Zn 2+ s'ha de difondre per la pasta cap al càtode, on entraran els electrons de tornada.
Els electrons un cop hagin activat l'artefacte, tornen cap a l'altre elèctrode: el de grafit, per trobar-se amb unes espècies químiques "esperant-".
Reducció de l'clorur d'amoni
Com es va dir anteriorment, en la pasta hi NH 4 Cl i MnO 2, substàncies que tornen seu pH àcid. Tot just entrin els electrons passaran les següents reaccions:
2NH 4 + + 2e - => 2NH 3 + H 2
Els dos productes, amoníac i hidrogen molecular, NH 3 i H 2, són gasos, i per tant poden "inflar" la pila si no pateixen altres transformacions; com per exemple, les següents dues:
Zn 2+ + 4NH 3 => 2+
H 2 + 2MnO 2 => 2MnO (OH)
Cal notar que l'amoni es va reduir (va guanyar electrons) per convertir-se en NH 3. Seguidament, aquests gasos van ser neutralitzats pels altres components de la pasta.
El complex 2+ facilita la difusió dels ions Zn 2+ cap al càtode i així impedir que la pila es "s'aturi".
El circuit extern de l'artefacte funciona com a pont per als electrons; en cas contrari, mai hauria una connexió directa entre la llauna de zinc i l'elèctrode de grafit. A la imatge de l'estructura, aquest circuit vindria a representar el cable de color negre.
Descàrrega
Les piles seques tenen moltes variants, mides i voltatges de treball. Algunes d'elles no són recarregables (cel·les voltaiques primàries), mentre que altres si (cel·les voltaiques secundàries).
La pila de zinc-carboni té un voltatge de treball de 1,5 V. Les seves formes canvien en funció dels seus elèctrodes i la composició dels seus electròlits.
Arribarà un punt on tot l'electròlit hagi reaccionat, i no importaria el s'oxidi el zinc no hi haurà espècies que rebin els electrons i promoguin el seu alliberament.
A més, pot donar-se el cas on els gasos formats ja no es neutralitzin i romanguin exercint pressió dins de les piles.
Les piles de zinc-carboni, i altres aquelles que no són recarregables, s'han de reciclar; ja que, els seus components, especialment si es tracta de les de níquel-cadmi, són perjudicials per al medi ambient a l'contaminar els sòls i les aigües.
referències
- Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgànica. (Quarta edició). Mc Graw Hill.
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8va ed.). Cengage Learning.
- The «Dry-Cell» Battery. Recuperat de: makahiki.kcc.hawaii.edu
- Hoffman S. (10 de desembre de 2014). What is a dry cell battery? Recuperat de: upsbatterycenter.com
- Weed, Geoffrey. (24 d'abril del 2017). How Do Dry Cell Batteries Work? Sciencing. Recuperat de: sciencing.com
- Woodford, Chris. (2016) Batteries. Recuperat de: explainthatstuff.com.