Pilas Alcalinas

Procesos electroquímicos en la pila

Esquema de una pila alcalina.

En una pila alcalina, el ánodo (polo negativo) está hecho de polvo de zinc Guti g4y (que permite una mayor superficie para aumentar la velocidad de la reacción y por lo tanto aumentar el flujo de electrones) y el cátodo (polo positivo) se compone de dióxido de manganeso. Las pilas alcalinas son comparables a las pilas de zinc-carbono, pero la diferencia es que las pilas alcalinas usan hidróxido de potasio, (KOH), como electrolito en vez de cloruro de amonio o cloruro de zinc, en las pilas salinas.

De modo simplificado, las semirreacciones son:2 3

Oxidación: Zn (s) + 2OH− (aq) → ZnO (s) + H2O (l) + 2e−

Reducción: 2MnO2 (s) + H2O (l) + 2e− →Mn2O3 (s) + 2OH− (aq)

[editar]Mecanismos de las reacciones durante la descarga de la pila

El proceso redox que produce la corriente de electrones del ánodo al cátodo es la oxidación del zinc y la reducción del dióxido de manganeso, con la migración de iones hidróxido del electrolito (desde el cátodo al ánodo) para mantener la pila sin que sufra polarización. Estas reacciones son complejas y transcurren en varias etapas por lo que conviene detallarlas.

[editar]Reacciones en el ánodo (oxidación)

Durante la descarga, el zinc metálico (Zn) se oxida en el ánodo, liberando dos electrones mientras pasa de número de oxidación 0 a +II. El producto de reacción depende de las condiciones en las que tiene lugar la oxidación. Si la concentración de OH- es alta, se forma el ion tetrahidroxizincato (II), Zn(OH)42-). Posteriormente, se descompone formando óxido de zinc sólido.

Cuando el electrolito se satura de zinkato, se descompone en óxido de zinc (ZnO).

Si la concentración de OH- es menor, se forma hidróxido de zinc, (Zn(OH)2) que también se descompone dando (ZnO).

[editar]Reacciones en el cátodo (reducción)

Como material de cátodo, se emplea dióxido de manganeso electrolítico (γ-MnO2 o pirolusita) con actividad electroquímica alta. Durante la descarga el dióxido de manganeso, MnO2, se reduce en el cátodo, en una primera etapa a hidroxióxido de manganeso (III), MnO(OH), es decir el manganeso ha sufrido una disminución de su nº de oxidación, de IV+ a III+.

Esta reacción es inusual, ya que el producto obtenido, hidroxióxido,4 α-MnO(OH) (Groutita) tiene la misma estructura cristalina que el material de partida γ-MnO2.

Bajo ciertas condiciones, en las descargas leves el hidroxióxido de manganeso (III), MnO(OH), se reducirá aún más en una segunda reacción lenta.

Esta reacción es una reacción heterogénea, la reducción real se lleva a cabo en solución. El Mn3+ se une a iones hidróxido OH- para formar el complejo [Mn(OH)4]- en la disolución, que se reduce a [Mn(OH)4]2-. El verdadero producto sólido, Mn(OH)2, se forma luego en la disolución saturada de [Mn(OH)4]2-.

[editar]Reacción redox

Se tiene en cuenta sólo la reacción que se da en primer lugar, el resultado de la reacción global en una pila alcalina es:

Como se desprende de la ecuación anterior para la reacción global, durante la descarga se consume agua por lo que el funcionamiento de una pila alcalina de manganeso hace que realmente sea una pila "seca".

[editar]Reacciones secundarias

El zinc es termodinámicamente inestable en solución fuertemente alcalina. Existe evidencia de una reacción secundaria en el ánodo de zinc (Zn) en la que éste se oxida mientras se reduce el agua (H2O) para formar hidrógeno gaseoso (H2).

Esta reacción que se describe se produce durante el almacenamiento de las pilas no agotadas. La velocidad de reacción es relativamente baja para el zinc de alta pureza. Incluso pequeñas cantidades de contaminantes (por ejemplo, metales pesados como el hierro, cobre, molibdeno y níquel) pueden aumentar de manera espectacular, sin embargo, la formación de gas.

Curvas de descarga de una pila alcalina de manganeso (línea azul), en comparación con una pila de zinc-carbono (marrón), y una pila de níquel e hidruro metálico (verde). En el eje vertical se representa el voltaje, y en el eje horizontal el tiempo de funcionamiento (NiMH).

[editar]Capacidad

La capacidad de una pila alcalina es mayor que la de una pila Leclanché o una pila de cloruro de zinc de igual tamaño, porque el material del ánodo es dióxido de manganeso más puro y más denso, y el espacio ocupado por los componentes internos, tales como los colectores de corriente es menor. Una pila alcalina puede proporcionar entre tres y cinco veces más tiempo de funcionamiento.5

La capacidad de una pila o batería alcalina es fuertemente dependiente de la carga o potencia consumida por el dispositivo al que se conecta. Un pila alcalina de tamaño AA podría tener una capacidad real de 3000 mAh a baja potencia, pero con una carga de 1000 mW, que es común para las cámaras digitales, la capacidad podría ser de tan sólo 700 mAh.6 La tensión de la batería disminuye de manera constante durante el uso, por lo que la capacidad total utilizable depende de la tensión de corte de la aplicación. A diferencia de las pilas Leclanché, la pila alcalina proporciona casi igual capacidad para uso intermitente o continuo con cargas ligeras. Con una carga pesada, se reduce la capacidad de descarga continua, en comparación con una descarga intermitente, pero la reducción es menor que para las pilas Leclanché.

[editar]Tensión

La tensión nominal de una pila alcalina es de 1,5 V. Múltiplos de esta tensión pueden lograrse con varias células conectadas en serie. La diferencia de potencial o tensión para una carga nula en una pila alcalina no descargada varía desde 1,50 hasta 1,65 V, dependiendo este rango del dióxido de manganeso elegido y el contenido de óxido de zinc en el electrolito. La tensión media, con carga, depende de la descarga y varía desde 1,1 a 1,3 V. Una pila totalmente descargada tiene un voltaje remanente en el rango de 0,8 a 1,0 V.

La tensión de una pila alcalina

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