Pila eléctrica - Grupo Comercial Acomee

Pila eléctrica
magnitud de los fenómenos eléctricos y poder estudiarlos sistemáticamente. De esta explicación se desprende
que cualquiera de los dos nombres serviría para cualquier
tipo, pero la costumbre ha fijado la distinción.
2 Historia
La primera pila eléctrica fue la llamada pila voltaica, que
fue dada a conocer por Volta en 1800 mediante una carta que envió al presidente de la Royal Society londinense. Se trataba de una serie de pares de discos (apilados)
de zinc y de cobre (o también de plata), separados unos
de otros por trozos de cartón o de fieltro impregnados de
salmuera, que medían unos 3 cm de diámetro. Cuando se
fijó una unidad de medida para la diferencia de potencial,
el voltio (precisamente en honor de Volta) se pudo saber
que cada uno de esos elementos suministraba una tensión
de 0,75 V aproximadamente, pero ninguno de estos conceptos se conocía entonces. Su apilamiento conectados en
serie permitía aumentar la tensión a voluntad, otro descubrimiento de Volta. El invento constituía una novedad
absoluta y gozó de un éxito inmediato y muy merecido,
ya que inició la era eléctrica en que actualmente vivimos,
al permitir el estudio experimental preciso de la electricidad, superando las enormes limitaciones que presentaban
para ello los generadores electrostáticos, que son los únicos que existían hasta el momento. Otro tipo más temprano de configuración también utilizada y descrita por
Volta para el aparato estaba formada por una serie de vasos con líquido (unos junto a otros, en batería), en los que
se sumergían las tiras de los metales, conectando externamente un metal con otro.
Varias pilas y baterías (izquierda superior a derecha inferior):
dos AA, una D, una batería de handy (walkie-talkie), dos de 9
voltios (PP3), dos AAA, una C, una batería de filmadora casera,
una batería de teléfono inalámbrico.
Una pila eléctrica o batería eléctrica es el formato industrializado y comercial de la celda galvánica o voltaica.
Es un dispositivo que convierte energía química en
energía eléctrica por un proceso químico transitorio,[1]
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.
Las pilas, a diferencia de las baterías, no son recargables,
Inmediatamente empezaron a hacerse por toda Europa
aunque según países y contextos los términos pueden iny América innumerables pruebas con diversos líquidos,
tercambiarse o confundirse. En este artículo se describen
metales y configuraciones, tratando de mejorar las caraclas pilas no recargables.
terísticas del aparato original, cosa que pocas veces se
consiguió, pero que originó una infinidad de distintos tipos de pilas, de los cuales no ha quedado memoria más
que de los más notables.
1 Nombre
La pila Daniell, dada a conocer en 1836 y de la que luego
se han usado ampliamente determinadas variantes constructivas, está formada por un electrodo de cinc sumergido en una disolución de sulfato de cinc y otro electrodo de
cobre sumergido en una disolución concentrada de sulfato de cobre. Ambos electrolitos están separados por una
pared porosa para evitar su reacción directa. En esta situación, la tensión de disolución del cinc es mayor que la
presión de los iones Zn++ y el electrodo se disuelve, emi-
En el castellano ha habido por costumbre llamarla así,
mientras que al dispositivo recargable o acumulador, se le
ha venido llamando batería. Tanto pila como batería son
términos provenientes de los primeros tiempos del estudio de la electricidad, cuando se juntaban varios elementos —en el primer caso uno encima de otro, “apilados”, y
en el segundo adosados lateralmente, “en batería”— como se sigue haciendo actualmente, para así aumentar la
1
2
4
CARACTERÍSTICAS, PROPIEDADES Y FORMA DE UTILIZAR LAS PILAS
tiendo Zn++ y quedando cargado negativamente, proceso
en el que se liberan electrones y que recibe el nombre
de oxidación. En la disolución de sulfato de cobre, debido a su gran concentración de iones Cu++ , se deposita
Cu sobre el electrodo de este metal que, de este modo,
queda cargado positivamente mediante el proceso denominado reducción, que implica la incorporación de electrones. Esta pila presenta una diferencia de potencial de
1,07 a 1,14 V entre sus electrodos. Su gran ventaja respecto a otras de su tiempo fue la constancia del voltaje
generado, debido a la elaborada configuración, que facilita la despolarización, y a la reserva de electrolito, que
permite mantener su concentración durante más tiempo.
La pila Grove (1839) utiliza como despolarizador el ácido
nítrico HNO3 . Su diferencia de potencial o fuerza electromotriz es de 1,9 a 2,0 V. Originariamente utilizaba
platino para el ánodo, pero Cooper y Bunsen lo sustituyeron luego por carbón. El cátodo era de cinc tratado con
mercurio. Fue muy apreciada por su estabilidad y su mayor energía, a pesar del gran inconveniente que representa
la emisión de humos corrosivos. El propio Grove elaboró,
ese mismo año, una pila que producía energía eléctrica
por medio de la recombinación de hidrógeno y de oxígeno, lo que constituye el precedente de los generadores
contemporáneos conocidos como pilas de combustible.
tá muy atenuado en los productos de finales del siglo XX
gracias a la utilización de recipientes de acero inoxidable,
pero todavía se produce alguna vez.
Importantes en otro sentido han sido las pilas patrón, destinadas a usos de calibración y determinación de unidades, como la pila Clark (1870), de cinc y mercurio, cuya
tensión era de 1,457 V, y la pila Weston (1891), de cadmio y mercurio, con 1,018 V. Estas tensiones se miden
en vacío, es decir, sin tener ninguna carga externa conectada, y a una temperatura constante de 20 °C.
3 Principio de funcionamiento
Aunque la apariencia de cada una de estas celdas sea simple, la explicación de su funcionamiento dista de serlo y
motivó una gran actividad científica en los siglos XIX y
XX, así como diversas teorías.
Las pilas básicamente consisten en dos electrodos metálicos sumergidos en un líquido, sólido o pasta que se llama
electrolito. El electrolito es un conductor de iones.
Cuando los electrodos reaccionan con el electrolito, en
uno de los electrodos (el ánodo) se producen electrones
(oxidación), y en el otro (cátodo) se produce un defecto
La pila Leclanché, diseñada por Georges Leclanché en de electrones (reducción). Cuando los electrones sobran1868, utiliza una solución de cloruro amónico en la que tes del ánodo pasan al cátodo a través de un conductor
se sumergen electrodos de cinc y de carbón, rodeado éste externo a la pila se produce una corriente eléctrica.
último por una pasta de dióxido de manganeso y polvo
Como puede verse, en el fondo, se trata de una reacción
de carbón como despolarizante. Suministra una tensión
de oxidación y otra de reducción que se producen simulde 1,5 V y su principal ventaja es que se almacena muy
táneamente.
bien, pues el cinc no es atacado más que cuando se extrae
corriente del elemento.
Este tipo de pila sirvió de base para el importante avance que constituyó la pila denominada seca, al que pertenecen prácticamente todas las utilizadas hoy. Los tipos
hasta ahora descritos eran denominados húmedos, pues
contenían líquidos, que no solo hacían inconveniente su
transporte, sino que solían emitir gases peligrosos y olores
desagradables. Las pilas secas, en cambio, estaban formadas por un recipiente cilíndrico de cinc, que era el polo
negativo, relleno de una pasta electrolítica, y por una barra de carbón en el centro (electrodo positivo), todo ello
sellado para evitar fugas. Previamente se había realizado
otro tipo de pilas secas, como la de Zamboni (1812), pero
eran dispositivos puramente experimentales, que no proporcionaban ninguna corriente útil. La sequedad es relativa, en primer lugar porque un elemento rigurosamente
seco no suministraría electricidad alguna, de modo que
lo que se encuentra en el interior de las pilas es una pasta o gel, cuya humedad se procura por todos los medios
conservar, pero además porque el uso y el paso del tiempo tienden a corroer el contendedor, de modo que la pila
puede verter parte de su electrolito al exterior, donde puede atacar a otros metales. Por esta razón se recomienda
extraerlas cuando no se utilizan durante mucho tiempo o
cuando ya han trabajado mucho. Este inconveniente es-
4 Características, propiedades y
forma de utilizar las pilas
4.1 Tensión eléctrica
La diferencia de potencial, voltaje o tensión que produce un elemento electroquímico o celda electroquímica viene determinado por la naturaleza de las sustancias de los electrodos y del electrolito, así como por su
concentración. Walther Nernst obtuvo el premio Nobel de
química de 1920 por haber formulado cuantitativamente
y demostrado las leyes que rigen este fenómeno.
La conexión de elementos en serie (apilando elementos o
poniéndolos en batería) permite multiplicar esta tensión
básica cuanto se quiera.
Las propiedades puramente eléctricas de una pila se representan mediante el modelo adjunto. En su forma más
sencilla, está formado por una fuente de tensión perfecta
—es decir, con resistencia interna nula— en serie con un
resistor que representa la resistencia interna. El condensador de la versión más compleja es enormemente grande y su carga simula la descarga de la pila. Además de
3
ello, entre los terminales también aparece una capacitan- la realidad es que las pilas se deterioran con el paso del
cia, que no suele tener importancia en las aplicaciones de tiempo, aunque no se usen, pues los electrodos resultan
corriente continua.
atacados en lo que se conoce con el nombre de acción loUna vez fijada la tensión, la ley de Ohm determina la co- cal. Puede considerarse que una pila pierde unos 6 mV
rriente que circulará por la carga y consecuentemente el por mes de almacenamiento, aunque depende mucho de
trabajo que podrá realizarse, siempre que esté, natural- la temperatura. Actualmente, esto no constituye un promente, dentro de las posibilidades de la pila, que no son blema grave pues, dado el enorme consumo que hay de
infinitas, sino que están limitadas fundamentalmente por los tipos corrientes, las que se ofrecen en el comercio son
de fabricación reciente. Algunos fabricantes imprimen en
el tamaño de los electrodos —lo que determina el tamaño
externo de la pila completa— y por su separación. Estos los envases la fecha de caducidad del producto.
condicionamientos físicos se representan en el modelo de
generador como una resistencia interna por la que pasaría la corriente de un generador ideal, es decir, de uno
que pudiese suministrar una corriente infinita al voltaje
predeterminado.
Conforme la célula se va gastando, su resistencia interna va aumentando, lo que hace que la tensión disponible
sobre la carga vaya disminuyendo, hasta que resulte insuficiente para los fines deseados, momento en el que es
necesario reemplazarla. Para dar una idea, una pila nueva
de las ordinarias de 1,5 V tiene una resistencia interna de
unos 350 mΩ, mientras que una vez agotada puede aumentar considerablemente este valor. Ésta es la razón de
que la mera medición de la tensión con un voltímetro no
sirva para indicar el estado de una pila. En circuito abierto, incluso una pila gastada puede indicar 1,4 V, dada la
carga insignificante que representa la resistencia de entrada del voltímetro, pero, si la medición se hace con la carga
que habitualmente podría soportar, la lectura bajará a 1,0
V o menos, momento en que esa pila ha dejado de tener
utilidad. Las actuales pilas alcalinas tienen una curva de
descarga más suave que las antiguas de carbón. Su resistencia interna aumenta proporcionalmente más despacio.
5 Tipos de acumuladores por su
naturaleza interna
Por lo que a su naturaleza interna se refiere, características electroquímicas, se encuentran habitualmente en el
comercio pilas de los tipos que se detallan a continuación.
5.1 Pila común
Las pilas secas, de zinc-carbono o pilas comunes están
formadas por un recipiente cilíndrico de zinc, que es el
polo negativo, relleno de una pasta electrolítica, y por una
barra de carbón en el centro (electrodo positivo), todo ello
sellado para evitar fugas.
Las medidas aproximadas de una pila común son:
• Pila de 9 V: 50 mm × 26 mm × 17 mm.
• Pila AA: 50 mm de longitud y 14 mm de diámetro.
Cuando se necesita una corriente mayor que la que puede
Ventajas
suministrar un elemento único, siendo su tensión en cambio la adecuada, se pueden añadir otros elementos en la
• No se descargan si no están en uso.
conexión llamada en paralelo, es decir, uniendo los polos
positivos de todos ellos, por un lado, y los negativos, por
otro. Este tipo de conexión tiene el inconveniente de que, Desventajas
si un elemento falla antes que sus compañeros o se cortocircuita, arrastra irremisiblemente en su caída a todos los
• Una pila puede llegar a contaminar 3 000 litros de
demás.
agua
En las características reacciones químicas, las que se producen dentro de una pila son sensibles a la temperatura y,
normalmente, se aceleran cuando ésta aumenta, lo que se 5.2 Pilas alcalinas
traducirá en un pequeño aumento de la tensión. Más importante es el caso de la bajada, pues cuando se alcanzan En 1866, Georges Leclanché inventa en Francia la pila
las de congelación muchas pilas pueden dejar de funcio- Leclanché, precursora de la pila seca (zinc-dióxido de
nar o lo hacen defectuosamente, cosa de la que suelen manganeso), sistema que aún domina el mercado mundial
advertir los fabricantes. Como contrapartida, si se alma- de las baterías primarias. Las pilas alcalinas (de «alta pocenan las pilas refrigeradas, se prolongará su buen estado. tencia» o «larga vida») son similares a las de Leclanché,
pero, en vez de cloruro de amonio, llevan cloruro de sodio
o de potasio. Duran más porque el zinc no está expuesto
a un ambiente ácido como el que provocan los iones de
4.2 Duración fuera de servicio
amonio en la pila convencional. Como los iones se mueLo ideal sería que las reacciones químicas internas no se ven más fácilmente a través del electrolito, produce más
produjeran más que cuando la pila esté en servicio, pero potencia y una corriente más estable.
4
5 TIPOS DE ACUMULADORES POR SU NATURALEZA INTERNA
Las pilas secas alcalinas son similares a las pilas secas co- Características
munes, con las excepciones de que el electrolito es básico
(alcalino), porque contiene KOH y la superficie interior El voltaje de una pila alcalina está cerca de 1,5 V.
del recipiente de Zn es áspera; esto proporciona un área
Usos
de contacto mayor.
El ánodo está compuesto de una pasta de cinc amalgamaSe utilizan para aparatos complejos y de elevado consumo
do con mercurio (total 1 %), carbono o grafito.
energético. En sus versiones de 1,5 voltios, 6 voltios y 12
voltios se emplean, por ejemplo, en mandos a distancia
• Cinc 14 % (ánodo)
(control remoto) y alarmas.
• Dióxido de manganeso 22 % (cátodo)
• Carbón 2 %
5.3 Pilas alcalinas de manganeso
• Mercurio: 0,5 a 1 % (ánodo)
Con un contenido de mercurio que ronda el 0,1 % de su
peso total, es una versión mejorada de la pila alcalina,
en la que se ha sustituido el conductor iónico cloruro de
amonio por hidróxido de potasio (de ahí su nombre de
alcalina). El recipiente de la pila es de acero, y la disposición del cinc y del óxido de manganeso (IV) (o dióxido
de manganeso) es la contraria, situándose el cinc, ahora
en polvo, en el centro. La cantidad de mercurio empleada para regularizar la descarga es mayor. Esto le confiere mayor duración, más constancia en el tiempo y mejor
rendimiento. Por el contrario, su precio es más elevado.
También suministra una fuerza electromotriz de 1,5 V. Se
utiliza en aparatos de mayor consumo como: grabadoras
portátiles, juguetes con motor, flashes electrónicos.
• Hidróxido de potasio (electrolito)
• Plástico y lámina 42 %
Contiene un compuesto alcalino, llamado hidróxido de
potasio. Está compuesta por dióxido de manganeso,
MnO2 , hidróxido de potasio (KOH), pasta de cinc (Zn),
amalgamada con mercurio (Hg, en total 1 %), carbón o
grafito (C). Según la Directiva Europea del 18 de marzo
de 1991, este tipo de pilas no pueden superar la cantidad
de 0,025 % de mercurio.
Descarga
El ánodo es de cinc amalgamado y el cátodo es un material polarizador compuesto con base en dióxido de manDurante la descarga, las reacciones en la pila seca alcalina ganeso, óxido de mercurio (II) mezclado íntimamente
son:
con grafito, y en casos raros, óxido de plata Ag2 O (estos
dos últimos son muy costosos, peligrosos y tóxicos), a fin
–
de reducir su resistividad eléctrica. El electrolito es una
Ánodo: Zn (s) + 2 OH (aq) → Zn(OH)2 (s) +
–
solución de hidróxido potásico (KOH), el cual presenta
2e
una resistencia interna bajísima, lo que permite que no se
Cátodo: 2 MnO2 (s) + 2 H2 O (l) + 2 e– → 2
tengan descargas internas y la energía pueda ser acumuMnO(OH) (s) + 2 OH– (aq)
lada durante mucho tiempo. Este electrolito, en las pilas
Global: Zn (s) + 2 MnO2 (s) + 2 H2 O (l) →
comerciales se endurece con gelatinas o derivados de la
Zn(OH)2(aq) + 2 MnO(OH) (s)
celulosa.
Este tipo de pila se fabrica en dos formas. En una, el ánodo consta de una tira de cinc corrugada, devanada en espiral de 0,051 a 0,13 mm de espesor, que se amalgama
• Respecto a las pilas convencionales entregan más después de armarla. Hay dos tiras de papel absorbente resistente a los álcalis interdevanadas con la tira de papel de
potencia y una corriente más estable.
cinc, de modo que el cinc sobresalga por la parte superior
• Su duración es seis veces mayor que la de la pila de y el papel por la parte inferior. El ánodo está aislado de la
cinc-carbono.
caja metálica con un manguito de poliestireno. La parte
superior de la pila es de cobre y hace contacto con la ti• Resisten mejor el uso constante.
ra de cinc para formar la terminal negativa de la pila. La
pila está sellada con un ojillo o anillo aislante hecho de
Desventajas
neopreno. La envoltura de la pila es químicamente inerte
a los ingredientes y forma el electrodo positivo.
Su mayor costo se deriva de la dificultad de sellar las
pilas contra las fugas de hidróxido. Casi todas vienen Ventajas
blindadas, lo que impide el derramamiento de los componentes. Sin embargo, este blindaje no tiene duración Este tipo de pilas tiene una duración mayor que las alcalinas.
ilimitada.
Ventajas
5
Desventajas
de las pilas gastadas. Una vez que la envoltura metálica
que recubre las pilas se daña, las sustancias químicas se
liberan causando contaminación al medio ambiente. Con
Este tipo de baterías presenta algunas desventajas:
mayor o menor grado, las sustancias son absorbidas por
• Una pila alcalina puede contaminar 175 000 litros de la tierra, pudiéndose filtrar hacia las capas freáticas, y de
agua, que llega a ser el consumo promedio de agua estas pueden pasar directamente a los seres vivos, entrando con esto en la cadena alimentaria (véase presencia de
de toda la vida de seis personas.
mercurio en peces).
• Cinc, manganeso (Mn), bismuto (Bi), cobre (Cu)
y plata (Ag) son sustancias tóxicas, que producen Estudios especializados indican que una micropila de
diversas alteraciones en la salud humana. El cinc, mercurio, puede llegar a contaminar 600 000 litros de
12 000 litros y una de óxido de
manganeso y cobre son esenciales para la vida, en agua, una de cinc-aire
[cita requerida]
plata
14
000
litros.
cantidades mínimas, y tóxicos en altas dosis. El bismuto y la plata no son esenciales para la vida.
Las pilas son residuos peligrosos por lo que, desde el momento en que se empiezan a reunir, deben ser manipuUsos
ladas por personal capacitado que siga las precauciones
adecuadas empleando todos los procedimientos técnicos
Juguetes, tocacintas, cámaras fotográficas, grabadoras, y legales de manipulación de residuos peligrosos. En caso
contrario diversas intoxicaciones son posibles, como por
linternas, etc.
ejemplo el envenenamiento por mercurio.
6
Tipos de pilas por forma y tama8 Véase también
ño
La distinción entre pilas que utilizan un electrolito y las
que utilizan dos, o entre pilas húmedas y secas, son exclusivamente de interés histórico y didáctico, pues todas
las pilas que se utilizan actualmente son prefabricadas,
estancas y responden a tipos bastante fijos, lo que facilita
su comercialización y su uso.
Las pilas eléctricas y algunos acumuladores se presentan
en unas cuantas formas normalizadas. Las más frecuentes
comprenden la serie A (A, AA, AAA, AAAA), A B, C,
D, F, G, J y N, 3R12, 4R25 y sus variantes, PP3, PP9 y
las baterías de linterna 996 y PC926. Las características
principales de todas ellas y de otros tipos menos habituales se incluyen en la tabla siguiente (que también puede
verse separadamente).
Cabe la posibilidad de utilizar adaptadores, en especial
para que las pilas recargables AA se puedan utilizar en
aparatos que precisen pilas C y D.[2]
Existen unas normas internacionales para la estandarización de los tamaños y voltajes de las pilas para permitir
la utilización de aparatos eléctricos a nivel mundial.[3]
7
Pilas y el medio ambiente
Los metales y productos químicos constituyentes de las
pilas pueden resultar perjudiciales para el medio ambiente, produciendo contaminación química (por ejemplo: envenenamiento por mercurio). Es muy importante
no tirarlas a la basura (en algunos países no está permitido), sino llevarlas a centros de reciclado (Reciclaje de
pilas y baterías). En algunos países, la mayoría de los proveedores y tiendas especializadas también se hacen cargo
• Anexo: Tipos de pila
• Generador eléctrico
• Batería eléctrica
• Energía eléctrica
• Pila impolarizable
• Pila recargable
9 Referencias
[1] Montaje de componentes y periféricos microinformáticos.
IFCT0108, en Google libros
[2] http://www.pccomponentes.com/energy_sistem_
adaptador_de_baterias_a_tamanos_c_y_d.html
[3] Pueden encontrarse datos interesantes sobre los códigos
de los distintos fabricantes y sus equivalencias en y en .
10 Enlaces externos
•
Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre Pila eléctrica. Commons
•
Wikcionario tiene definiciones y otra información sobre pila.Wikcionario
• El Diccionario de la Real Academia Española tiene
una definición para pila.
6
10 ENLACES EXTERNOS
• El Diccionario de la Real Academia Española tiene
una definición para batería.
• Pilas: un enemigo en casa.
• Cómo alargar la vida de las baterías.
• Encuesta y comentarios sobre baterías.
• CEMPRE Uruguay, compromiso empresarial para
el reciclaje, página sobre la gestión de pilas y baterías en Uruguay.
• Símbolos de pilas.
• Cómo usar la pila.
•
• ¿Cómo saber si una pila o batería está cargada? en
YouTube
•
• Multímetro digital. Comprobación de pilas en
YouTube
7
La pila Cu-Ag, un ejemplo de reacción redox.
El símbolo electrónico para una batería en un diagrama de circuitos. El mismo se originó como un dibujo esquemático del tipo
más temprano de batería, una pila voltaica.
Un artefacto para verificar el voltaje de una batería.
Una celda voltaica para usar en demostraciones. En este ejemplo
las dos semiceldas están conectadas por un puente salino que
permite la tansferencia de iones, pero no moléculas de agua.
Símbolo de una pila (izquierda); modelo eléctrico simplificado
(centro); modelo más elaborado (derecha).
8
Pila alcalina con fuga de su contenido.
10 ENLACES EXTERNOS
9
11
11.1
Origen del texto y las imágenes, colaboradores y licencias
Texto
• Pila eléctrica Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Pila_el%C3%A9ctrica?oldid=91832877 Colaboradores: PACO, JorgeGG, Wesisnay,
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holder, DARIO SEVERI, Harpagornis, Elvisor, DanielithoMoya, DLeandroc, Helmy oved, Levanpolca, Zerabat, Rotlink, Addbot, Carlos
David Cancino, Jarould, Egis57, AlvaroMolina, ManoloVoctor, Vanessarocio1, Patatarey, Dfgjergu345, Linmariarr y Anónimos: 336
11.2
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