PILAS: SU INVENTOR, PRINCIPIOS QUIMICOS Y DESCRIPCION DE SU FUNCIONAMIENTO

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Pila de Volta: introducción

A fines del siglo XVIII, el científico italiano Volta (de allí proviene "pila volta") inventó unos artilugios galvánicos capaces de transformar reacciones químicas de metales y líquidos en energía eléctrica, a los que se los denominó PILA.

Estos artefactos poco a poco se perfeccionaron y desarrollaron hasta conseguir pilas de alta potencia y máxima duración, capaces de proporcionar energía portátil en cualquier situación y lugar. La utilización de la pila esta muy difundida, ya que su gran ventaja es la total autonomía energética, que es capaz de proporcionar a cualquier artefacto utilizado en la vida cotidiana, como por ejemplo linternas, radios y otros elementos que son indispensables para la vida de algunos seres humanos, como el marcapasos para aquellos que sufren problemas cardíacos. De ellas se alimenta hoy una gran parte de la aparatología que usa el hombre moderno, pero el problema principal surje al momento de arrojarlas a la basura: una partícula de mercurio puede contaminar 600.000 litros de agua al liberar sus componentes de mercurio o cadmio, el cual al entrar en contacto con la tierra y posteriormente cuando penetran y llegan a la napa de agua contaminan la cadena alimentaria. Si tomamos en cuenta que, solo en USA se eliminan un número superior a 200 millones de pilas y baterías por año nos daremos cuenta que el tema es más que preocupante.

 

pila volta

ALESSANDRO VOLTA (18 de febrero de 1745, Como, Lombardía, Italia - 5 de marzo de 1827, Como, Lombardía, Italia). ver más


Pila: definición, acumulador

Se denomina pila --o elemento galvánico (electricidad dinámica producida por una reacción química)-- a un sistema en el que la energía química de una reacción química es transformada en energía eléctrica. Batería es una unidad productora de energía eléctrica constituida por varias pilas.

Acumulador: cualquier elemento productor de energía eléctrica basado en una/s pila/s secundarias (acumulador equivale a recargable). Ánodo es el electrodo en donde se produce la oxidación cuando la pila funciona como fuente de energía. Cátodo: en el electrodo en donde se produce la reducción cuando la pila funciona como fuente de energía.

Tipos de pilas

pila electrica
Pila eléctrica
Es un dispositivo que convierte la energía química en eléctrica. Todas las pilas consisten en un electrolito (que puede ser líquido, sólido o en pasta), un electrodo positivo y un electrodo negativo. El electrolito es un conductor iónico; uno de los electrodos produce electrones y el otro electrodo los recibe. Al conectar los electrodos al aparato que hay que alimentar, llamado carga, se produce una corriente eléctrica. Las pilas en las que el producto químico no puede volver a su forma original una vez que la energía ha sido convertida (es decir, que las pilas se han descargado), se llaman pilas primarias o voltaicas. Las pilas en las que el producto químico puede ser reconstituido pasando una corriente eléctrica a través de él en dirección opuesta a la operación normal de la pila, se llaman pilas secundarias o acumuladores.

Pilas primarias

/pila seca

pila
Pila común no recargable
Pila basada en una reacción química irreversible, y por lo tanto, no recargable. Posee un ciclo de vida. La pila primaria más común es la pila Leclanché o pila seca, inventada por el químico francés Georges Leclanché en los años sesenta. La pila seca que se utiliza hoy es muy similar al invento original. El electrolito es una pasta consistente en una mezcla de cloruro de amonio y cloruro de cinc. El electrodo negativo es de cinc, igual que la parte exterior de la pila, y el electrodo positivo es una varilla de carbono rodeada por una mezcla de carbono y dióxido de manganeso. Esta pila produce una fuerza electromotriz de unos 1,5 V.
Otra pila primaria muy utilizada es la pila de cinc-óxido de mercurio, conocida normalmente como batería de mercurio. Puede tener forma de disco pequeño y se utiliza en audífonos, células fotoeléctricas y relojes de pulsera eléctricos. El electrodo negativo es de cinc, el electrodo positivo de óxido de mercurio y el electrolito es una disolución de hidróxido de potasio. La batería de mercurio produce unos 1,34 V.

Otra pila primaria muy utilizada es la pila de cinc-óxido de mercurio, conocida normalmente como batería de mercurio. Puede tener forma de disco pequeño y se utiliza en audífonos, células fotoeléctricas y relojes de pulsera eléctricos. El electrodo negativo es de cinc, el electrodo positivo de óxido de mercurio y el electrolito es una disolución de hidróxido de potasio. La batería de mercurio produce unos 1,34 V.
La pila de combustible es otro tipo de pila primaria. Se diferencia de las demás en que los productos químicos no están dentro de la pila, sino que se suministran desde fuera.

Pilas secundarias

/pilas recargables


pilas recargables
Baterías en recarga dentro del cargador de pilas
Pila basada en una reacción química reversible y por lo tanto recargable. Se pueden generar sus elementos activos pasando una corriente eléctrica en sentido contrario al de descarga. Posee ciclos de vidas múltiples. El acumulador o pila secundaria, que puede recargarse revirtiendo la reacción química, fue inventado en 1859 por el físico francés Gastón Planté. La pila de Planté era una batería de plomo y ácido, y es la que más se utiliza en la actualidad. Esta batería que contiene de tres a seis pilas conectadas en serie, se usa en automóviles, camiones, aviones y otros vehículos. Su ventaja principal es que puede producir una corriente eléctrica suficiente para arrancar un motor; sin embargo, se agota rápidamente. El electrolito es una disolución diluida de ácido sulfúrico, el electrodo negativo es de plomo y el electrodo positivo de dióxido de plomo.

En funcionamiento, el electrodo negativo de plomo se disocia en electrones libres e iones positivos de plomo. Los electrones se mueven por el circuito eléctrico externo y los iones positivos de plomo reaccionan con los iones sulfato del electrolito para formar sulfato de plomo. Cuando los electrones vuelven a entrar en la pila por el electrodo positivo de dióxido de plomo, se produce otra reacción química. El dióxido de plomo reacciona con los iones hidrógeno del electrolito y con los electrones formando agua e iones plomo; estos últimos se liberarán en el electrolito produciendo nuevamente sulfato de plomo.
cargador de pilas
Cargador de Pilas Energizer

Un acumulador de plomo y ácido se agota porque el ácido sulfúrico se transforma gradualmente en agua y en sulfato de plomo. Al recargar la pila, las reacciones químicas descritas anteriormente se revierten hasta que los productos químicos vuelven a su condición original. Una batería de plomo y ácido tiene una vida útil de unos cuatro años. Produce unos 2 V por pila. Recientemente, se han desarrollado baterías de plomo para aplicaciones especiales con una vida útil de 50 a 70 años.
Otra pila secundaria muy utilizada es la pila alcalina o batería de níquel y hierro, ideada por el inventor estadounidense Thomas Edison en torno a 1900. El principio de funcionamiento es el mismo que en la pila de ácido y plomo, pero aquí el electrodo negativo es de hierro, el electrodo positivo de óxido de níquel y el electrolito es una disolución de hidróxido de potasio. La pila de níquel y hierro tiene la desventaja de desprender gas hidrógeno durante la carga. Esta batería se usa principalmente en la industria pesada. La batería de Edison tiene una vida útil de unos diez años y produce aproximadamente unos 1,15 V.
Otra pila alcalina similar a la batería de Edison es la pila de níquel y cadmio o batería de cadmio, en la que el electrodo de hierro se sustituye por uno de cadmio. Produce también 1,15 V y su vida útil es de unos 25 años.

Pilas solares

pila solar
Pila solar y su cargador de células fotosensibles
Las pilas solares producen electricidad por un proceso de conversión fotoeléctrica. La fuente de electricidad es una sustancia semiconductora fotosensible, como un cristal de silicio al que se le han añadido impurezas. Cuando la luz incide contra el cristal, los electrones se liberan de la superficie de éste y se dirigen a la superficie opuesta. Allí se recogen como corriente eléctrica. Las pilas solares tienen una vida muy larga y se utilizan sobre todo en los aviones como fuente de electricidad para el equipo de a bordo.

Dentro de la amplitud de la palabra pila podemos encontrar varios tipos de ellas:

Pilas Botón  de mercurio: son aquellas que contienen más mercurio por unidad.
Pilas  Botón de litio: son las que no contienen ni mercurio ni cadmio, o sea que son una alternativa para evitar el consumo de los pilas botón de mercurio.
Pilas alcalinas: son aquellas que ofrecen duración y potencia a costa de utilizar mercurio, su contenido tóxico es menor que las pilas botón.
Acumuladores níquel-cadmio: son las menos frecuentes y pueden recargarse después de gastadas, es decir que incluye a las pilas recargables. Bien utilizadas pueden durar varios años.
Pilas salinas: son las primeras que aparecieron tienen menos duración y potencia pero su contenido tóxico es muy bajo.
Pilas verdes: son un nuevo tipo de pilas ecológicas a penas contiene mercurio y no ocasionan problemas de contaminación.

Actualmente se esta investigando en varios tipos de pilas combustible, con sus verdaderas limitaciones y sus aplicaciones. Estas pilas se clasifican por el tipo de electrolito empleado. Entre las más prometedoras se encuentran:

·        Membrana polimétrica (PEM)
·        Acodo fosfórico (PAFC)
·        Conversión directa del metanol (DMFC)
·        Alcalina (AFC)
·        Carbonato fundido (MFCF)
·        Oxido sólido (SOFC)
·        Reversible (regenerativa)

Tamaños de las pilas: AA AAA 9v

pila aa aaa
De izquierda a derecha: N, AAA (triple A), AA (doble A), 9 V (batería)

Funcionamiento de las pilas

El funcionamiento de las pilas se basa en un conjunto de reacciones químicas que proporcionan una cierta cantidad de electricidad, que si bien es pequeña permite el funcionamiento de pequeños motores o dispositivos electrónicos.

La ventaja favorable de la autonomía, se contrapone a los efectos negativos de los compuestos químicos empleados en la reacción donde se produce la electricidad, ya que la mayoría son metales pesados, que liberados al medio ambiente producen serios problemas de contaminación.

 

Efectos de los metales pesados en la salud

MERCURIO: la exposición a nivel local del mercurio ocasiona irritación de la piel, mucosa y es sensibilizarte de la piel. La exposición  generalizada a este metal pesado produce casos de intoxicaciones agudas fuertes, produce una intensa irritación en las vías respiratorias, es productor de bronquitis, neumonías, broqueolitis, etc. En intoxicaciones crónicas y a dosis bajas produce debilidad, pérdida de peso, diarreas, inflamación de encías fatiga, sabor metálico, insomnio, etc. En intoxicaciones crónicas y a dosis altas se produce irritabilidad. Alucinaciones, llanto, excitabilidad, depresiones, tristeza, psicosis, crisis.

En casos de exposición a dosis alta en forma oral, colapsa el aparato digestivo siendo mortal en horas.
CADMIO: Las fuentes más comunes son las pilas, los pigmentos para pinturas, barnices y las cañerías de PVC. Este metal es sumamente tóxico y cancerígeno. En madres expuestas el cadmio produce serias afecciones con lesiones para el embarazo, presencia de proteínas en la orina, etc..

PLOMO: este  metal produce fatiga, dolores de cabeza, dolores óseos, dolores abdominales, trastornos del sueño, dolores musculares, impotencia, trastornos de conducta, etc. En síntomas avanzados produce anemias, cólicos intestinales, nauseas, vómitos, enfermedades renales, impotencia sexual, delirio, esterilidad, daños al feto, hipertensión arterial, afecciones a los nervios, enfermedades óseas, cáncer y la muerte.

CROMO: Ocasiona dermatitis, sensibilización de la piel, bronquitis crónica, ulceraciones del tabique nasal y de piel, dolores respiratorios y de cabeza, hemorragia nasal, etc..

ZINC, MANGANESO, COBRE, BISMUTO, PLATA y NIQUEL: son también sustancias tóxicas que producen las mas diversas alteraciones a la salud humana.

¿Como se produce la contaminación por pilas?

pila bateria

Según estudios especializados, una miro pila de mercurio puede llegar a contaminar 600.000 litros de agua, una de zinc 12.000 litros, una de óxido de plata 14.000 litros  y una pila común 3.000 litros.

Al descomponerse la capa protectora que las recubre, se liberan los metales que contienen y entonces se produce la contaminación.

Las pilas son arrojadas con el resto de la basura domiciliaria, siendo vertidas en basureros, ya sean a cielo abierto a o a rellenos sanitarios y en otros casos a terrenos baldíos, acequias, caminos vecinales, cauces de agua, etc. Para imaginar  la magnitud de la contaminación de estas pilas vasta con saber que son las causales del 93% del mercurio en la basura doméstica, así como del 47% del Zinc, del 48% del Cadmio. El 22% del Níquel, etc.

Estas pilas sufren la corrosión de sus recubrimientos afectadas internamente por sus componentes y externamente por la acción climática y por el proceso de fermentación de la basura, especialmente la materia orgánica, que al elevar su temperatura hasta los 70ºC, actúa como un reactor de la contaminación.

Cuando se produce el derrame de los electrolitos internos de las pilas, arrastra los metales pesados. Estos metales fluyen por el suelo contaminando toda forma de vida.

El mecanismo de movilidad a través del suelo, se ve favorecido al estar los metales en su forma oxidada, estos los hacen mucho mas rápido en terrenos salinos o con PH muy ácido.

Algunos mitos sobre las pilas

VERDADERO
FALSO
No existe disposición segura para la mayoría de los productos tóxicos. Es por eso que varias organizaciones ambientalistas como Greepeace, impulsan la eliminación de sustancias tóxicas en los productos como único camino para eliminar el riesgo asociado a la disposición final de ellos.
Existen métodos en uso que aseguran eternamente la disposición de los productos tóxicos sin que estos puedan contaminar el medio ambiente.
Lo mejor que podemos hacer como ciudadanos es reclamar a las autoridades que extiendan la responsabilidad de las empresas mas allá del momento en que nos venden las pilas (haciéndose responsables por la mejor gestión ambiental posible) y que además les exijan la eliminación de los tóxicos que hoy componen estos productos.
Las campañas de recolección de pilas en comercios u organismos públicos solucionan el problema (hay que averiguar primero cual será el destino que le darán a las pilas una vez recolectadas).
En los últimos años, la presión ciudadana ha logrado que las empresas fueran quitando de las pilas algunos de los tóxicos mas preocupantes como el mercurio, sin embargo algunas de estas sustancias fueron reemplazadas por otros compuestos que hoy se desconocen.
LAS PILAS SON TODAS IGUALES
Mientras tanto la mejor prevención de la contaminación pasa por evitar el uso de las pilas siempre que sea posible, procurando emplear artículos que no requieran energía producida por las pilas, o que puedan ser enchufados en la red, ya que este modo es mas eficiente desde el punto de vista energético.
Las pilas son un mal necesario. “No se puede hacer nada, siempre habrá algo que contamine”.

Tratamiento de pilas en desuso, disposición

El tratamiento de las pilas en desuso consiste fundamentalmente en obtener un mecanismo que asegure que no se producirá contaminación por liviación. Por eso se ha diseñado un sistema que cuenta con cinco barreras de seguridad, conformada por el uso de tres componentes:


·        Compuestos químicos que neutralizan, inhiben  y secuestran posibles pérdidas de los metales pesados que contienen las pilas.
·        Bolsas de polietileno de alta densidad, termoselladas con extracción de aire.
·        Claustro (bloque de hormigón).

Los pasos del tratamiento con los que se obtienen las cinco barreras de de seguridad son los siguientes:

1.      Se tomo una cantidad de aproximadamente  cincuenta pilas, introduciéndolas en una bolsa pequeña, donde en su interior se vuelca polvo secuestrante en cantidad suficiente para que las pilas queden cubiertas totalmente.
2.      Se colocan de tres a cinco bolsas pequeñas en una bolsa mayor, repitiendo el vuelco del polvo secuestrante en su interior realizando el posterior termosellado con extracción de aire de la bolsa grande.
3.      La bolsa grande se introduce en un molde para la construcción de hormigón, previniendo que mantenga una distancia apropiada con el exterior del bloque. Para esto se debe realizar un primer vuelco del material, vibrarlo, verificar el espesor resultante, introducir la bolsa y completar la carga, rasando por último la cara superior.
Una vez terminado el tratamiento, la disposición final ese refiere al uso del bloque de hormigón.

Recomendaciones útiles

  • No mezclar las pilas nuevas con las pilas usadas, ya que se reduce la vida útil de las pilas sin usar.
  • Utilizar preferentemente artefactos conectados a la red eléctrica o a a la energía solar.
  • No tirar las pilas a las cloacas, ya que llegarán al río y contaminarán las aguas.
  • No quemar las pilas ni las baterías.
  • No dejar las pilas al alcance de los niños
  • No utilizar aparatos a pila cuando pueden ser utilizados otros.

Biografía de Alessandro Volta

Volta, Alessandro, conde (1745-1827), físico italiano, conocido por sus trabajos sobre la electricidad. Nació en Como y estudió allí, en la escuela pública. En 1774 fue profesor de física en la Escuela Regia de Como y al año siguiente inventó el electróforo, un instrumento que producía cargas eléctricas. Durante 1776 y 1777 se dedicó a la química, estudió la electricidad atmosférica e ideó experimentos como la ignición de gases mediante una chispa eléctrica en un recipiente cerrado. En 1779 fue profesor de física en la Universidad de Pavía, cátedra que ocupó durante 25 años. Hacia 1800 había desarrollado la llamada pila de Volta, precursora de la batería eléctrica, que producía un flujo estable de electricidad. Por su trabajo en el campo de la electricidad, Napoleón le nombró conde en 1801. La unidad eléctrica conocida como voltio recibió ese nombre en su honor.

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