Pila de zinc-carbono

Pila de zinc-carbono

Pila de zinc-carbono

Pilas de zinc-carbono, de diferentes tamaños

Ánodo

Zinc

Cátodo

Barra de carbono o una barra de grafito rodeada por una mezcla de dióxido de manganeso, negro de acetileno y polvo de carbón

Electrolito

Pasta de cloruro de zinc o cloruro de amonio, disuelto en agua

Una pila de zinc-carbono es el tipo de pila seca común (pila salina) que fue desarrollado a partir de la celda electroquímica o pila húmeda Leclanché.1 Está formada por un recipiente externo de zinc que sirve como contenedor y terminal o polo negativo (anodo) en cuyo interior se encuentra el terminal positivo (cátodo), que es generalmente una barra de carbono o una barra de grafito rodeada por una mezcla de dióxido de manganeso, negro de acetileno y polvo de carbón.2 El electrolito utilizado es una pasta de cloruro de zinc y de cloruro de amonio disuelto en agua. La pila de cloruro de zinc es una versión mejorada de la original que contenía cloruro de amonio. En el envase, aparecen señaladas con una "R".3

En las pilas alcalinas se sustituye la sal (el cloruro) por el hidróxido de un metal alcalino(hidróxido de potasio).4

Las pilas de cinc-carbono son las pilas menos costosas y por lo tanto una opción popular para los fabricantes de dispositivos, cuando se venden con baterías incluidas. Por lo general, son etiquetadas como pilas o baterías de uso general. Pueden ser utilizadas en mandos por control remoto, linternas, relojes, o radiotransistores, siempre que el consumo de energía no sea demasiado grande.

1- En una pila seca, el envase exterior de zinc es el polo negativo. El zinc es oxidado según la siguiente semireacción.

Polo Negativo - (Ánodo - Oxidación):

2- Una varilla de grafito rodeada por un polvo que contiene óxido de manganeso (IV) es el polo positivo. El dióxido de manganeso se mezcla con polvo de carbono para aumentar la conductividad eléctrica. En este medio de reacción, el manganeso se reduce de un estado de oxidación de (+4) a (+3). La semirreacción es la siguiente:

Polo Positivo + (Cátodo - Reducción):

3- Reposición de los iones hidronio y formación de amoníaco, a partir del electrolito de cloruro de amonio.

4- Las moléculas resultantes de amoniaco actúan como ligandos formando un complejo del ion zinc (II), el ion diaminzinc (II):

5- Este complejo reacciona con los iones cloruro, Cl-, del cloruro de amonio:

La ecuación general resultante es:

Mecanismo concurrente

Hay otras posibles reacciones concurrentes por lo que a veces el paso 2 (reducción del manganeso) puede escribirse como:

2 MnO2(s) + H2(g) → Mn2O3(s) + H2O(l)

donde el H2 proviene del NH+4(aq) según la reacción:

2 NH+4(aq) + 2 e- → H2(g) + 2 NH3(aq)

y finalmente el NH3 se combina con el Zn2+, lo que conduce a la ecuación general, muy semejante al proceso antes descrito pues el manganeso también posee estado de oxidación +3:

Zn(s) + 2 MnO2(s) + 2 NH+4(aq) → Mn2O3(s) + Zn(NH3)2 (aq)2+ + H2O(l)

La batería tiene una fuerza electromotriz, fem, de ε=1,5 V. El valor aproximado de la fuerza electromotriz está relacionado con la complejidad de la reacción catódica de reducción del manganeso. La semirreacción del ánodo (zinc) es relativamente simple con un potencial de reducción conocido. Las reacciones secundarias y el agotamiento de las sustancias químicas activas aumenta la resistencia interna de la batería, y esto hace que la fuerza electromotriz disminuya.

Una pila eléctrica es un dispositivo que convierte energía química en energía eléctrica por un proceso químico transitorio, tras lo cual cesa su actividad y han de renovarse sus elementos constituyentes, puesto que sus características resultan alteradas durante el mismo. Se trata de un generador primario. Esta energía resulta accesible mediante dos terminales que tiene la pila, llamados polos, electrodos o bornes. Uno de ellos es el polo negativo o ánodo y el otro es el polo positivo o cátodo. La estructura fundamental de una pila consiste en dos electrodos, metálicos en muchos casos, introducidos en una disolución conductora de la electricidad o electrolito.[3]

Técnicamente ocurren la oxidación y la reducción.

En el ánodo, el cinc (zinc) es oxidado:

Zn → Zn2+ - 2 e-

En el cátodo, se reduce el cobre:

Cu+++ 2e- → Cu

Para medir los voltajes e intensidades, conectamos la punta del polímetro que va al polo positivo (+) al cobre (punta roja) y el Zinc al otro. El electrodo de Zinc es una fuente de electrones.[4]

Los voltajes y corrientes alcanzados dependen críticamente de la acidez de los limones y del tamaño y metal de los objetos usados.

Ecuación

Aplicación a pilasEditar

La fuerza electromotriz de una pila se calcula con la siguiente expresión:

Ambos potenciales de reducción se calculan con la ecuación de Nernst, por lo tanto sacando factor común y operando con los logaritmos se obtiene la siguiente ecuación:

donde es la diferencia de potencial corregida de la pila y la diferencia de potencial de la pila en condiciones estándar, es decir calculada con las reacciones tabuladas, sin corregir con la ecuación de Nernst para electrodos.

Ejemplo de aplicaciónEditar

En la pila de reacción

se intercambian 6 moles de electrones, por lo tanto:

y

Donde [ ] denota concentración.

Si sólo se busca el potencial corregido del cátodo (reducción) entonces:

debido a que la reacción de reducción tiene como producto

...