¿Las pilas, un consumo energético en pequeña escala?

 

Por
José Mendoza Rodríguez

Cuatro preguntas y seis actividades para la educación energética en las escuelas.

Con cierta frecuencia se dedican esfuerzos para la realización de actividades y eventos que ponen de manifiesto la importancia de inculcar la educación energética en las escuelas, institutos y universidades, como algo fundamental en la formación de las generaciones venideras; sin embargo, pocas veces se tiene en cuenta el consumo desmedido de energía a pequeña escala, por parte de nuestros alumnos y por nosotros mismos a nivel familiar, con los diferentes tipos de pilas, en juguetes, cámaras fotográficas y de vídeo, relojes, etcétera.

 

Los docentes tenemos el deber de explicar a nuestros alumnos no sólo la idea de la pila como un artilugio capaz de transformar la energía química en eléctrica; hemos de enseñar, además, qué tipos podemos adquirir en el mercado, qué grado de contaminación potencial supone cada una de ellas, cómo podemos reciclarlas y,
sobre todo, cómo podemos evitar usarlas.

¿Qué es una pila?
Aunque el concepto de pila es conocido por todos, podríamos empezar por la propia historia de su descubrimiento, indicando a nuestros alumnos que busquen en un libro
u otro soporte la historia del científico Volta.

Primera actividad. ¿Quién fue Alessandro Volta?
En 1778 ocupa la Cátedra de Física Experimental de la Universidad de Pavía, Italia, donde trabajó 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, el mismo
año en que sostuvo su famosa controversia con Galvani acerca de la electricidad animal.
La unidad eléctrica conocida como volt recibió ese nombre en su honor.

Segunda actividad. La pila Daniell
Esta pila está formada por un electrodo de cobre (cátodo positivo) y otro electrodo de cinc (ánodo negativo). Ambas láminas metálicas están sumergidas en disoluciones de sulfatos de cobre y cinc, respectivamente. Cuando ambas disoluciones se conectan mediante un puente salino (disolución de NaCl, KCl o KNO3), se establece una diferencia de potencial de 1,10 V, que puede medirse con un voltímetro. Si se conectan ambos electrodos mediante un conductor, el amperímetro medirá el paso de la corriente eléctrica desde el ánodo de cinc hasta el cátodo de cobre. El proceso ocurre de forma espontánea.
Los electrones que pierde el cinc al oxidarse llegan por el circuito externo hasta la disolución de cobre, originándose la reducción de los iones cúpricos a cobre metal.
La reducción siempre ocurre en el cátodo (reducción catódica); y la oxidación, en el ánodo (oxidación anódica). Estos procesos son invariables, independientemente de que se trate de un pila o de una célula electrolítica (electrolisis). La función del puente salino es permitir el contacto eléctrico y la migración de los iones para mantener la electroneutralidad. La pila se agotará cuando los potenciales del cátodo y ánodo se igualen, cesando el flujo de electrones por el conductor. La energía química se ha tranformado en energía eléctrica.

2. ¿Qué tipos de pilas existen? Tercera actividad. Tipos de pilas
Pilas primarias: La más común es la pila Leclanché o pila seca, inventada por el químico francés Georges Leclanché, en la década de 1860, y la utilizada hoy es muy similar al invento original. El electrólito es una pasta consistente en una mezcla de cloruro de amonio y cloruro de cinc. El electrodo negativo es de cinc, igual que el recipiente 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 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 electrólito, una disolución de hidróxido de potasio. La batería de mercurio produce 1,34 V, aproximadamente. La pila de combustible es también primaria, aunque se diferencia de las demás en que los productos químicos no están dentro de la pila, sino que se suministran desde fuera.

Pilas secundarias: El acumulador o pila secundaria, que puede recargarse invirtiendo la reacción química y fue inventado en 1859 por el físico francés Gaston Planté; consiste en una batería de plomo y ácido, y es la que más se utiliza en la actualidad. Contiene de tres a seis pilas conectadas en serie y 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 electrólito 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 electrólito 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.
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 se invierten hasta que los productos químicos vuelven a su condición original. Una batería de plomo y ácido tiene una vida útil de unos cuatro años y produce unos 2 V por pila.

Recientemente se han desarrollado baterías de plomo para aplicaciones especiales con una vida útil entre cincuenta a setenta años. Otra pila secundaria muy utilizada es la alcalina o batería de níquel y hierro, ideada por el inventor estadounidense Thomas Edison, alrededor de 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 electrólito, una disolución de hidróxido de potasio. Esta pila 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 1,15 V, aproximadamente. Otra pila alcalina similar a la de Edison es la de níquel y cadmio, o batería de cadmio, en la que el electrodo de hierro se sustituye por uno de ese elemento. Produce también 1,15 V y su vida útil es
de unos 25 años.

Pilas solares: 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 su superficie 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. Una pila voltaica aprovecha la electricidad de una reacción química espontánea para encender una bombilla. Las tiras de cinc y cobre, dentro de disoluciones de ácido sulfúrico diluido y sulfato de cobre, respectivamente, actúan como electrodos. El puente salino permite a los electrones fluir entre las cubetas sin que se mezclen las disoluciones. Cuando el circuito entre los dos sistemas se completa, la reacción genera una corriente eléctrica. El metal de la tira de cinc se consume (oxidación) y la tira desaparece. La tira de cobre crece al reaccionar los electrones con la disolución de sulfato de cobre para producir metal adicional (reducción). Si se sustituye la bombilla por una batería la reacción se invertirá, creando una célula electrolítica.

Pila de combustible: Mecanismo electroquímico en el cual la energía de una reacción química se convierte directamente en electricidad. A diferencia de la pila eléctrica o batería, una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada; funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados desde fuera. Esta pila consiste en un ánodo en el que se inyecta el combustible comúnmente hidrógeno, amoníaco o hidracina y un cátodo en el que se introduce un oxidante, normalmente aire u oxígeno. Sus dos electrodos están separados por un electrólito iónico conductor. Los electrones generados en el ánodo se mueven por un circuito externo que contiene la carga y pasan al cátodo.

El voltaje de la pila de combustible en este caso es de unos 1,2 V, pero disminuye conforme aumenta la carga. El agua producida en el ánodo debe ser extraída continuamente para evitar que inunde la pila. Las pilas de combustible de hidrógeno-oxígeno que utilizan membranas de intercambio iónico o electrólitos de ácido fosfórico fueron utilizadas en varios programas espaciales. Las de ácido fosfórico tienen un uso limitado en las instalaciones eléctricas generadoras de energía. Actualmente se están desarrollando las pilas de combustible con electrólitos de carbonato fundido.Este sistema tiene la venta ja de utilizar monóxido de carbono como combustible, por lo que pueden utilizarse como combustible mezclas de monóxido de carbono e hidrógeno, como las que se producen en un gasificador de carbón.  

También se están desarrollando pilas de combustible que emplean dióxido de circonio sólido como electrólito (pilas de combustible de óxido sólido). Los combustibles más adecuados son el hidrógeno, el monóxido de carbono y el metano, y al cátodo se le suministra aire u oxígeno. Estas pilas tienen la ventaja de ser relativamente insensibles
a los contaminantes del combustible, como los compuestos de azufre y nitrógeno, que empeoran el rendimiento de otros sistemas de combustible.

3. ¿Qué grado de contaminación representan? Cuarta actividad. Potencial decontaminación y formas de reciclaje
El peligro que producen las pilas que se desechan es uno de los temas prioritarios en la agenda de los ecologistas urbanos, ya que la pila es un elemento que contiene diferentes metales en su composición, como mercurio (la mayoría de las pilas botón, pilas alcalinas y de óxido de plata) o cadmio (pilas recargables), aunque también son preocupantes otros metales, como manganeso, níquel y cinc. Cada tipo de pila tiene al menos dos metales presentes en dos formas químicas diferentes, como metales puros y como óxidos. Por lo tanto, aunque no todas las pilas son iguales ni tienen la misma peligrosidad, toda pila que posee alta concentración de metales debe ser considerada como elemento de cuidado.

Las pilas nos facilitan el uso de muchos de los aparatos que necesitamos en nuestra vida diaria, pero una vez agotadas, normalmente, terminan en basureros o rellenos sanitarios, pudiendo quedar expuestas a incendios y a reacciones químicas incontroladas que afectan las capas de agua, el suelo y el aire. Si se acumulan en los vertederos, con el paso del tiempo pierden la carcasa y se vierte su contenido, compuesto principalmente por metales pesados que acaban contaminando las aguas subterráneas y el suelo, y con ello se introducirán en las cadenas de alimentación naturales, de las que se nutre el ser humano.

Si se incineran, las emanaciones resultantes darán lugar a elementos tóxicos volátiles, contaminando el aire. Podemos tomar como ejemplo el mercurio presente en la composición de las pilas. Esta sustancia se oxida mezclada con la basura y se libera
al ambiente. Este metal y varios de sus compuestos son bastante insolubles, por lo que podrían quedar relativamente inmovilizados en la tierra o depositados en el fondo de ríos
y lagos, y los microorganismos presentes en estos ecosistemas los pueden transformar en metil-mercurio de mayor toxicidad y movilidad ambiental. Esta sustancia orgánica,
a diferencia del mercurio inorgánico, atraviesa fácilmente las membranas celulares debido
a que es liposoluble y, por lo tanto, una vez que ingresa en la cadena de alimentación,
a través de los herbívoros y peces, contamina rápidamente cada eslabón y se va concentrando, al igual que el DDT. El resultado es que cuando llega al hombre, tope
de la cadena de alimentación, puede haberse concentrado varias veces y resultar letal,
ya que se acumula sobre todo en la médula ósea y en el cerebro, y daña a mediano y largo plazos, los tejidos cerebrales y el sistema nervioso central. El mercurio también tiene la posibilidad, de acuerdo a las condiciones ambientales, de pasar a una forma volátil y distribuirse ampliamente, aumentando los riesgos que ocasiona.

4. ¿Qué consumo energético representan? Quinta actividad. Costo energético
Una pila requiere cincuenta veces más energía en su fabricación que la que ella misma produce.

Cada año se usan miles de millones de pilas en todo el mundo (sólo en Estados Unidos se utilizan 2 500 millones de pilas anualmente). La mayoría de las pilas que se tiran provienen de relojes, radios, máquinas de afeitar, cámaras fotográficas y juguetes.
Si se ve obligado a usar pilas, cómprelas recargables. Se pueden usar hasta mil veces antes de tirarlas. El tipo de pila que utilizan las cámaras fotográficas y los aparatos para sordos suelen contener altos niveles de mercurio, por lo que deben ser devueltas al establecimiento para depositarlas de manera segura. Algunos fabricantes de pilas organizan programas de recuperación. Los países de la Unión Europea disponen de sistemas de recogida especial. Hace años que entró en vigor una directiva comunitaria para el depósito seguro de las pilas.

En el 2000 se recuperaron cerca de 750 toneladas de cadmio de pilas usadas. Tirar las pilas con el resto de la basura es depositarlas en un vertedero. Allí, los ácidos del interior de la pila liberan el mercurio y el cadmio tóxicos.

En el Reino Unido alrededor de catorce toneladas de plomo, ocho toneladas de mercurio, cinco toneladas de cadmio y pequeñas cantidades de níquel y magnesio procedentes de las pilas acaban en los vertederos. Si los lixiviados del vertedero alcanzan los suministros de agua, se crea un grave problema de contaminación.

Pensemos, además, que cualquier proceso de descontaminación supone casi siempre un consumo de energía añadido.

Sexta actividad. Concienciación ciudadana
En definitiva, ¿qué podemos hacer nosotros, como ciudadanos, con las pilas?:

• No juntar pilas, porque se concentran los riesgos.
• No mezclar las pilas nuevas con las usadas, porque se reduce la vida útil de ambas.
• Utilizar preferentemente artefactos conectados a la red eléctrica.
• No tirar las pilas en la cloaca, ya que finalmente llegan al río y podrían contaminar el agua.
• No quemar ningún tipo de pila ni batería.
• No dejar las pilas al alcance de los niños.
• No utilizar aparatos con pilas cuando pueden ser reemplazados por otros.

La solución total para este problema no se vislumbra. Un conjunto de medidas concordantes entre sí, puede mitigarlo. Mientras se avanza para que quienes producen las pilas lo hagan de manera sustentable, es decir, dando también soluciones a los problemas que producen sus productos una vez usados, nosotros, los usuarios, debemos colaborar en mitigar el potencial daño al hábitat, y presionemos con leyes que obliguen a que las soluciones y las tecnologías sean aportadas por los que están lucrando con productos que saben no son inocuos para el ambiente.

* Doctor en Ciencias, del Instituto de Ciencias da Educación,
Universidad de Santiago de Compostela, España.
e-mail: pmendoza@usc.es