Celdas
electroquímicas
La
acumulación de energía eléctrica tiene en la química
un poderoso aliado
Por Idalberto Chavéz, Cubaenergía
Esquema de una batería eléctrica
El
principio fundamental que rige el comportamiento de las celdas electroquímicas
en su carácter de fuentes de corriente eléctrica, está
basado en las reacciones químicas que se llevan a cabo entre los
electrodos sumergidos en las soluciones electrolíticas por efecto
del paso de la corriente eléctrica. Bajo determinadas condiciones,
las cuales son aprovechadas industrialmente, es cuando una celda se comporta
como una fuente real de corriente eléctrica utilizable.
En dependencia de la estructura de la celda, las reacciones químicas
pueden suceder, en unos casos, entre los electrodos, siendo la función
del electrólito servir como medio de transporte de las cargas eléctricas;
en otros casos las reacciones ocurren entre los electrodos y el electrólito,
participando este último durante todo el tiempo que dure el proceso.
Si generalizamos el concepto podemos denominar al conjunto electrodo-solución
con el nombre de pila eléctrica.
Conceptualmente, sin que resulte una dualidad por lo expresado respecto
a la pila eléctrica, podemos denominar con el nombre de celda electroquímica
a cualquier dispositivo capaz de generar y entregar energía eléctrica
a partir de reacciones químicas.
Las pilas son los elementos primarios irreversibles, como las pilas de
linterna o de radio, mientras que celdas, baterías o acumuladores
son los elementos secundarios reversibles, como en los autos, los montacargas,
las plantas telefónicas o las instalaciones solares fotovoltaicas
en los consultorios del médico de la familia, círculos sociales
o escuelas rurales.
Irreversible significa que las reacciones químico-eléctricas
que ocurren en la descarga son en un solo sentido hasta el total agotamiento
de los electrodos.
En las celdas reversibles el proceso ocurre en dos sentios, es decir,
en la descarga la celda entrega corriente y en la carga la celda recibe
corriente que es almacenada, químicamente.
Diagrama de celda fotoelectroquímica
Las baterías acumuladoras suelen ser de forma muy diversa, según
el material y la forma que lo contiene.
El funcionamiento de una celda electroquímica desde el punto de
vista químico presenta aspectos de carácter general que
pueden ser aplicados a la mayoría de ellas.
Los metales introducidos en el electrólito forman los electrodos
que en la realidad técnica y comercial adquieren las características
de placas. Para que cada celda tenga utilización práctica
se requiere que los electrodos tengan diferente polaridad. Eléctricamente
son escogidos de forma que uno presente polaridad positiva y el otro negativa
respecto al electrólito. Al electrodo negativo se le denomina cátodo
y al electrodo positivo ánodo.
Por otra parte a la porción del electrólito que rodea al
ánodo se le denomina anolito y al cátodo, catolito. Los
electrodos son de naturaleza diferente, es decir, están formados
por metales o aleaciones metálicas diferentes, por ejemplo, el
acumulador de plomo-ácido. La placa positiva (ánodo) está
formada por óxido de plomo II y la placa negativa (cátodo)
por plomo metálico esponjoso a veces con pequeñas cantidades
de antimonio (Sb) o Calcio (Ca). El electrólito es una disolución
acuosa de ácido sulfúrico.
No es difícil observar que durante la descarga desaparecen el plomo
y el óxido de plomo II sólidos y aparece el sulfato de plomo
en ambos electrodos. También se manifiesta el gasto de ácido
sulfúrico y la aparición de agua. Esto último explica
la reacción del electrólito con la materia activa de los
electrodos y se comprende por qué ocurre la caída del valor
de la densidad de la disolución durante la descarga y el aumento
de esta durante la carga. Por lo que la medida de esta nos da un criterio
exacto del estado de carga o descarga del acumulador.
Durante estos procesos de carga y descarga se gasta agua, por lo que un
medio de prevenir la rotura de los acumuladores de plomo es el control
del nivel del electrólito en el recipiente o vaso que contiene
la celda electroquímica.
En un próximo trabajo abordaremos las medidas de prevención
y mantenimiento de los acumuladores.
Esquema de una celda electroquímica
A) Circuito abierto
B) Circuito con carga