1800. La pila voltaica

1800 - La pila voltaica

En 1780, Luigi Galvani estaba diseccionando una rana, sujeta con un gancho de metal. Cuando tocó la pata de la rana con su bisturí de hierro, la pierna se encogió como si el animal aún estuviese vivo. Galvani creía que la energía que había impulsado la contracción muscular observada venía de la misma pierna, y la llamó "electricidad animal".

Sin embargo, Alessandro Volta, un amigo y colega científico, no estaba de acuerdo, creyendo que este fenómeno estaba causado realmente por la unión o contacto entre dos metales diferentes que estaban unidos por una conexión húmeda. El propio Volta verificó experimentalmente esta hipótesis, y la publicó en 1791. Fue perfeccionada hasta que, en 1800, Volta inventó la primera batería o generador electroquímico capaz de producir una corriente eléctrica mantenida en el tiempo, y por ello fue conocida como pila voltaica. La pila voltaica consiste de pares de discos de cobre y zinc apilados uno encima del otro (de ahí el nombre de pila) , separados por una capa de tela o de cartón impregnado en salmuera (este era el electrolito). A diferencia de la botella de Leyden, la pila voltaica producía una corriente continua y estable, y perdía poca carga con el tiempo cuando no se la utiliza, aunque sus primeros modelos no podían producir una tensión lo suficientemente fuerte como para producir chispas.3 Experimentó con diversos metales y encontró que el zinc y la plata le dio los mejores resultados.

Volta creía que la corriente se producía como resultado de la unión entre dos materiales diferentes, con sólo tocarse uno al otro (esta teoría científica obsoleta fue conocida como la tensión de contacto), y no como resultado de reacciones químicas (sin embargo, véase efecto termoeléctrico). En consecuencia, consideró que la corrosión que sufrían las planchas de zinc podía ser un defecto relacionado que tal vez podría corregirse de alguna manera con el cambio de materiales. Sin embargo, ningún científico había conseguido evitar esta corrosión. De hecho, se observó que la corrosión era más rápido cuando se producía más corriente. Esto sugirió que la corrosión era realmente parte integrante de la capacidad de la la batería para producir una corriente. Esto, en parte, llevó al rechazo de la teoría de la tensión de contacto en favor de la teoría electroquímica. En las ilustraciones de Volta de su pila de corona y la pila voltaica (primera figura de arriba), aparecen discos de metal extra, ahora sabemos que innecesarios, en la parte superior y en la inferior. La figura que aparece en esta sección, de la pila voltaica de zinc-cobre, tiene el diseño moderno, una indicación de que "la tensión de contacto" no es la fuente o causa de la fuerza electromotriz de la pila voltaica.

Los modelos de pila originales de Volta tienen algunos fallos técnicos, como fugas del electrólito y cortocircuitos provocados debido al peso de los discos que comprimen los paños empapados en la salmuera. El inglés William Cruickshank resolvió este problema mediante la fijación de los elementos en una caja en lugar de amontonarlos en una pila. Esto fue conocido como la batería de artesa El propio Volta diseñó una variante que consiste en una cadena de vasos llenos de una solución de sal, unidos por arcos metálicos sumergidos en el líquido. Esto fue conocido como la Corona de Copas o pila de corona. Estos arcos estaban hechos de dos metales diferentes (por ejemplo, zinc y cobre), soldados entre sí. Este modelo también demostró ser más eficiente que las pilas originales aunque no fue tan popular.

Otro problema de las pilas de Volta era su corta duración (una hora en el mejor de los casos), lo cual estaba causado por dos fenómenos. El primero era que la corriente producía la electrolisis de la disolución de electrólitos, lo que originaba una película de burbujas de hidrógeno que se formaban en el electrodo de cobre, que aumentaba constantemente la resistencia interna de la batería (Este efecto, llamado polarización, es contrarrestado en las células modernas con medidas adicionales). El otro era un fenómeno llamado de acción local, por el cual se formaban minúsculos cortocircuitos en torno a las impurezas del cinc, causando su degradación. Este último problema fue resuelto en 1835 por William Sturgeon, quien descubrió que mezclando algo de mercurio con el zinc se eliminaba este inconveniente.6

A pesar de sus defectos, las pilas de Volta proporcionaban una corriente más permanente que las jarras o botellas de Leyden, e hizo posible muchos experimentos y descubrimientos nuevos, como la electrolisis del agua, realizada por primera vez por Anthony Carlisle y William Nicholson (químico).

Ilustración de una celda Daniell, hacia 1860.

1836 - La pila Daniell[editar]

Representación esquemática de la célula original Daniell.

Un químico británico llamado John Frederic Daniell buscó una manera de eliminar el problema de las burbujas de hidrógeno que aparecen en la pila voltaica, y su solución fue utilizar un segundo electrolito para consumir el hidrógeno producido por el primero. En 1836, inventó la pila Daniell, que consistía en una vasija de cobre llena de una disolución de sulfato de cobre, en el que se sumerge un recipiente de barro sin esmaltar lleno de ácido sulfúrico y un electrodo de zinc. La barrera de barro era porosa, lo que permitía a los iones pasar a través suya, pero impedía la mezcla de las dos disoluciones. Sin esta barrera, cuando no había corriente se comprobó que los iones de cobre (II) se derivaban hacia el ánodo de zinc y sufrían la reducción sin producir una corriente, destruyendo la vida de la batería.7

Con el tiempo, la acumulación de cobre podría bloquear los poros de la barrera de barro y acortar la vida de la batería. Sin embargo, la celda de Daniell proporcionan una corriente mayor y más fiable que la pila voltaica, debido al depósito de cobre electrolítico en el cátodo (un conductor) en lugar de hidrógeno (un aislante). También era más segura y menos corrosiva. Tenía una tensión de funcionamiento de alrededor de 1,1 voltios. Fue ampliamente utilizada en las redes de telégrafo, hasta que fue suplantada por la pila Leclanché a finales de la década de 1860.6

1844 - La pila de Grove[editar]

Pila de Grove.

La pila de Grove fue inventada por William Robert Grove en 1844 y es una modificación de la pila Daniell. Consistía en un ánodo de zinc sumergido en ácido sulfúrico y un cátodo de platino sumergido en ácido nítrico, separados por barro poroso. La pila de Grove proporcionaba una corriente elevada y un voltaje casi dos veces superior al de la pila Daniell, por lo que fue la favorita de las redes telegráficas de América durante un tiempo. Sin embargo, se desprendían vapores tóxicos de óxido nítrico cuando estaba en operación.6 La tensión también se reducía considerablemente cuando la carga disminuía, lo que llegó a ser una responsabilidad cuando las redes telegráficas se hicieron más complejas. El platino también era muy caro. La pila de Grove fue sustituida por la más barata, más segura y de mejor rendimiento pila de gravedad en la década de 1860.

1859 - La pila de plomo-ácido: la primera batería recargable.[editar]

Ilustración del siglo XIX de una pila de plomo-ácido de Planté.

Hasta este punto, todas las baterías existentes debían ser vaciadas de forma permanente cuando se agotaban los reactivos y finalizaban todas sus reacciones químicas. En 1859, Gaston Planté inventó la batería de plomo-ácido, el primer acumulador, o sea, la primera batería que puede recargarse (en realidad, regenerar las sustancias químicas gastadas) haciendo pasar una corriente en sentido inverso a través de ella. Una batería de plomo-ácido se compone de un ánodo de plomo y un cátodo de dióxido de plomo sumergidos en ácido sulfúrico. Ambos electrodos reaccionan con el ácido para producir sulfato de plomo (II), pero la reacción en el ánodo de plomo libera electrones mientras que la reacción en el óxido de plomo los capta, lo que produce una corriente. Estas reacciones químicas pueden ser revertidas mediante la aplicación de una corriente en sentido inverso, lo que permite recargarla, al igual que se de debe hacer antes de su primer uso.

El primer diseño de Planté consistía en dos placas de plomo separadas por bandas de goma y enrolladas en espiral.8 Sus baterías se utilizaron por primera vez para alimentar la luz en los vagones del tren mientras se detenía en una estación. En 1881, Camille Alphonse Faure inventó una versión mejorada que consistía en una celosía o rejilla de plomo en la que se apelmazó una pasta de dióxido de plomo, formando una placa. Varias planchas podían apilarse para obtener un mayor rendimiento. Este diseño fue más fácil de producir en masa.

En comparación con otras baterías, el diseño de Planté era más bien pesado y voluminoso para la cantidad de energía que podría almacenar. Sin embargo, podría producir picos de corriente muy grandes. También tenía una resistencia interna muy baja, por lo que una misma batería puede usarse para alimentar múltiples circuitos.6

La batería de plomo aún se utiliza hoy en los automóviles y otras aplicaciones donde el peso no es un factor importante. El principio básico no ha cambiado desde 1859, aunque en la década de 1970 se desarrolló una variante que utiliza un electrolito en forma de gel en lugar de un líquido (comúnmente conocido como la batería de gel), permitiendo que la batería pueda ser utilizada en diferentes posiciones sin fallos o fugas.

Hoy en día

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