MODULO 1 - LECCIÓN 3 : BATERIAS CONSTITUCION, USOS Y PRECAUCIONES

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LECCIÓN 3  PARTE A 

                          INTRODUCCION A LAS BATERIAS    


OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Al completar esta lección usted podrá:

1. Indicar el propósito de una celda.
2. Indicar el propósito de las tres partes de una celda.
3. Indicar la diferencia entre los dos tipos de celdas.
4. Explicar el proceso químico que tiene lugar en las celdas primarias y secundarias.
5. Reconocer y definir los términos acción electro química, ánodo, cátodo y electrolito.
6. Indicar las causas de polarización y acción local y describir los métodos para prevenir estos efectos.
7. Identificar las partes de una celda seca.
8. Identificar las diversas celdas secas que se usan actualmente y algunas de sus capacidades y limitaciones.
9. Identificar las cuatro celdas secundarias básicas, su construcción, capacidades y limitaciones.
10. Definir una batería e identificar las tres formas de combinar celdas para formar una batería.
11. Describir los procedimientos generales de mantenimiento de las baterías, incluido el uso del hidrómetro, capacidad de la batería, y clasificación y carga de la batería.
12. Identificar los cinco tipos de cargas de batería.
13. Observar las precauciones de seguridad para trabajar con y alrededor de las baterías.

INTRODUCCIÓN


El propósito de esta lección es presentar y explicar la teoría básica y las características de las baterías. Las baterías que se discuten e ilustran han sido seleccionadas como representativas de muchos modelos y tipos que se usan hoy. No se ha intentado cubrir cada tipo de batería en uso, sin embargo, después de completar esta lección, tendrá un buen conocimiento práctico de las baterías que están en uso general.

LA CELDA

Una celda es un dispositivo que transforma la energía química en energía eléctrica. La celda más simple, conocida como celda galvánica o voltaica, se muestra en la figura 3-1. Consiste en una pieza de carbono (C) y una pieza de zinc (Zn) suspendida en un frasco que contiene una solución de agua (H20) y ácido sulfúrico (H2S04) llamada electrolito.


Figura 3-1. - Celda voltaica o galvánica simple.

La celda es la unidad fundamental de la batería. Una celda simple consta de dos electrodos colocados en un recipiente que contiene el electrolito.

En algunas celdas, el recipiente actúa como uno de los electrodos y, en este caso, el electrolito actúa sobre él. Esto se cubrirá con más detalle más adelante.

ELECTRODOS

Los electrodos son los conductores por los cuales la corriente sale o vuelve al electrolito. En la celda simple, son tiras de carbono y zinc que se colocan en el electrolito; mientras que en la celda seca (fig.
3-2), son la varilla de carbono en el centro y el contenedor de zinc en el que se ensambla la celda.




Figura 3-2. — Celda seca, vista en sección transversal.
ELECTROLITO


 El electrólito es la solución que actúa sobre los electrodos. El electrolito, que proporciona un camino para el flujo de electrones, puede ser una solución salina, ácida o alcalina. En la celda galvánica simple, el electrolito está en forma líquida. En la celda seca, el electrolito es una pasta.

ENVASE

  El envase que puede estar construido de uno de muchos materiales diferentes proporciona un medio para retener (contener) el electrolito. El contenedor también se usa para montar los electrodos. En la celda voltaica, el contenedor debe estar construido de un material sobre el cual el electrolito no actuará.

P1. ¿Cuál es el propósito de una celda?
P2 ¿Cuáles son las tres partes de una celda?
P3. ¿Cuál es el propósito de cada una de las tres partes de una celda?


CELDA PRIMARIA

    Una celda primaria es aquella en la que la acción química carcome uno de los electrodos, generalmente el electrodo negativo. Cuando esto sucede, el electrodo debe reemplazarse o la celda debe descartarse. En la celda de tipo galvánico, el electrodo de zinc y el electrolito líquido generalmente se reemplazan cuando esto sucede. En el caso de la celda seca, generalmente es más barato comprar una nueva celda

CELDA SECUNDARIA

    Una celda secundaria es aquella en la que los electrodos y el electrolito son alterados por la acción química que tiene lugar cuando la celda suministra corriente. Estas celdas pueden restaurarse a su estado original forzando una corriente eléctrica a través de ellas en la dirección opuesta a la de la descarga. La batería de almacenamiento del automóvil es un ejemplo común de la celda secundaria.
P4. ¿Cuáles son los dos tipos de celdas?
P5. ¿Cuál es la principal diferencia entre los dos tipos de celdas?


ACCIÓN ELECTROQUÍMICA

    Si una carga (un dispositivo que consume energía eléctrica) está conectada externamente a los electrodos de una celda, los electrones fluirán bajo la influencia de una diferencia de potencial a través de los electrodos desde el CÁTODO (electrodo negativo), a través del conductor externo al ÁNODO (electrodo positivo).
    Una celda es un dispositivo en el que la energía química se convierte en energía eléctrica. Este proceso se llama acción ELECTROQUÍMICA.
    El voltaje a través de los electrodos depende de los materiales a partir de los cuales están hechos los electrodos y la composición del electrolito. La corriente que entrega una celda depende de la resistencia de todo el circuito, incluida la de la celda misma. La resistencia interna de la celda depende del tamaño de los electrodos, la distancia entre ellos en el electrólito y la resistencia del electrolito. Cuanto más grandes son los electrodos y más cerca están en el electrólito (sin tocarse), menor es la resistencia interna de la celda y más corriente es capaz de suministrar la celda a la carga.

P6.¿Qué es la acción electroquímica?
P7.¿Cuál es otro nombre para el (a) electrodo positivo y el (b) electrodo negativo? 


QUÍMICA PRIMARIA DE CELDAS
    Cuando una corriente fluye a través de una celda primaria que tiene electrodos de carbono y zinc y una solución diluida de ácido sulfúrico y agua (combinados para formar el electrolito), se produce la siguiente reacción química.
    El flujo de corriente a través de la carga es el movimiento de electrones desde el electrodo negativo de la celda (zinc) y hacia el electrodo positivo (carbono). Esto causa menos electrones en el zinc y un exceso de electrones en el carbono. La Figura 3-1 muestra los iones de hidrógeno (H 2 ) del ácido sulfúrico atraídos hacia el electrodo de carbono. Dado que los iones de hidrógeno están cargados positivamente, son atraídos por la carga negativa en el electrodo de carbono. Esta carga negativa es causada por el exceso de electrones. El electrodo de zinc tiene una carga positiva porque ha perdido electrones en el electrodo de carbono. Esta carga positiva atrae los iones negativos (S0 4) del ácido sulfúrico. Los iones negativos se combinan con el zinc para formar sulfato de zinc. Esta acción hace que el electrodo de zinc se carcoma. El sulfato de zinc es una sustancia de color blanco grisáceo que a veces se ve en el poste de la batería de una batería de automóvil.
    El proceso de eliminación del zinc y el cambio del ácido sulfúrico a hidrógeno y sulfato de zinc es la causa de la descarga de la celda. Cuando el zinc se agota, el voltaje de la celda se reduce a cero.
    En la figura 3-1 notará que el electrodo de zinc está etiquetado como negativo y el electrodo de carbono está etiquetado como positivo. Esto representa el flujo de corriente fuera de la celda de negativo a positivo.
    El zinc se combina con el ácido sulfúrico para formar sulfato de zinc e hidrógeno. El sulfato de zinc se disuelve en el electrolito (ácido sulfúrico y agua) y el hidrógeno aparece como burbujas de gas alrededor del electrodo de carbono. A medida que la corriente continúa fluyendo, el zinc se disuelve gradualmente y la solución cambia a sulfato de zinc y agua. El electrodo de carbono no entra en los cambios químicos que tienen lugar, sino que simplemente proporciona un camino de retorno para la corriente.

P8.En la celda primaria, ¿por qué los iones negativos son atraídos al terminal negativo de la celda?
P9.¿Cómo pasan los electrones del electrodo negativo al electrodo positivo? 
P10.¿Qué causa que el electrodo negativo se carcoma?

QUÍMICA SECUNDARIA DE LAS CELDAS

    Como se indicó anteriormente, las diferencias entre las celdas primarias y secundarias son, que la celda secundaria se puede recargar y los electrodos están hechos de diferentes materiales. La celda secundaria que se muestra en la figura 3-3 usa plomo esponjoso como el cátodo y peróxido de plomo como el ánodo. Esta es la celda de tipo ácido de plomo y se utilizará para explicar la química general de la célula secundaria. Más adelante en la lección, cuando se discutan otros tipos de células secundarias, verá que los materiales que componen las partes de una célula son diferentes, pero que la acción química es esencialmente la misma.



Figura 3-3. - Celda secundaria.


La Figura 3-3 vista A muestra una celda secundaria de plomo-ácido que está completamente cargada. El cátodo es puro plomo esponjoso, el ánodo es peróxido de plomo puro y el electrolíto es una mezcla de ácido sulfúrico y agua.

La figura 3-3 vista B muestra la descarga de la celda secundaria. Se conecta una carga entre el cátodo y ánodo ; la corriente fluye de negativo a positivo como se muestra. Este flujo actual crea el mismo proceso que estaba explicado para la celda primaria con las siguientes excepciones.
En la celda primaria, el cátodo de zinc fue carcomido por el ácido sulfúrico. En la celda secundaria la construcción esponjosa del cátodo retiene el sulfato de plomo formado por la acción química del ácido sulfúrico y el plomo. En la celda primaria, el ánodo de carbono no fue tratado químicamente por ácido sulfúrico. En la celda secundaria, el ánodo de peróxido de plomo se cambia químicamente a sulfato de plomo por ácido sulfúrico.

Cuando la celda esté completamente descargada, será como se muestra en la figura 3-3, vista C. El ánodo y el cátodo retienen un poco de peróxido de plomo y de plomo esponjoso, pero las cantidades de sulfato de plomo en cada uno son máximas. El electrolito tiene una cantidad mínima de ácido sulfúrico. Con esta condición, ninguna otra acción química puede tener lugar dentro de la celda.

Como saben, la celda secundaria se puede recargar. La recarga es el proceso de revertir la acción química que ocurre cuando la célula se descarga. Para recargar la celda, una fuente de voltaje, como un generador, está conectado como se muestra en la figura 3-3 vista D. El terminal negativo de la fuente de voltaje es conectado al cátodo de la celda y el terminal positivo de la fuente de voltaje está conectado al ánodo de la celda. Con esta disposición, el sulfato de plomo se cambia químicamente de nuevo a plomo esponjoso en el cátodo, peróxido de plomo en el ánodo y ácido sulfúrico en el  electrolito. Después que todo el sulfato de plomo es cambiado químicamente, la celda está completamente cargada como se muestra en la figura 3-3 vista A. Una vez que la celda ha sido cargada, el ciclo de descarga-carga puede repetirse.


P11. Consulte la figura 2-3 (B). ¿Por qué está disminuyendo el ácido sulfúrico?
P12. Consulte la figura 2-3 (D). ¿Cómo es posible que el ácido sulfúrico esté aumentando?
P13. Consulte la figura 2-3 (D). Cuando se ha convertido todo el sulfato de plomo, ¿cuál es la condición de la  celda?


POLARIZACIÓN DE LA CELDA

La acción química que ocurre en la célula mientras la corriente fluye hace que las burbujas de hidrógeno se formen en la superficie del ánodo. Esta acción se llama POLARIZACIÓN. Algunas burbujas de hidrógeno se elevan a la superficie del electrolito y escapar al aire, algunas permanecen en la superficie del ánodo. Si  suficientes burbujas permanecen alrededor del ánodo, las burbujas forman una barrera que aumenta la resistencia interna. Cuando la resistencia interna de la celda aumenta, la corriente de salida disminuye y el voltaje de la celda también disminuye
Una celda que está muy polarizada no tiene salida útil. Existen varios métodos para prevenir polarización o para despolarizar la célula.
Un método usa un respiradero en la celda para permitir que el hidrógeno escape al aire. Una desventaja de este método es que el hidrógeno no está disponible para reformarse en el electrolito durante la recarga. Este problema se resuelve agregando agua al electrolito, como en una batería de automóvil. Un segundo método es utilizar material rico en oxígeno, como el dióxido de manganeso, que suministra oxígeno libre para combinar con el hidrógeno y formar agua.

Un tercer método es usar un material que absorberá el hidrógeno, como el calcio. El calcio libera hidrógeno durante el proceso de carga. Los tres métodos eliminan suficiente hidrógeno para que la celda este prácticamente libre de polarización.

ACCIÓN LOCAL

Cuando se elimina el circuito externo, la corriente deja de fluir y, en teoría, todos la acción química dentro de la celda se detiene. Sin embargo, el zinc comercial contiene muchas impurezas, como hierro, carbono, plomo y arsénico. Estas impurezas forman muchas celdas eléctricas pequeñas dentro del electrodo de zinc en el que la corriente fluye entre el zinc y sus impurezas. Por lo tanto, la acción química continúa aunque la celda en sí no está conectada a una carga.

La acción local puede prevenirse utilizando zinc puro (lo que no es práctico), recubriendo el zinc con
mercurio, o agregando un pequeño porcentaje de mercurio al zinc durante el proceso de fabricación. 
El tratamiento del zinc con mercurio se llama amalgamar (mezclar) el zinc. Como el mercurio es mucho veces más pesado que un volumen igual de agua, pequeñas partículas de impurezas que pesan menos que el mercurio flotaran a la superficie del mercurio. La eliminación de estas impurezas del zinc impide la acción local.
El ácido no actúa fácilmente sobre el mercurio. Cuando la celda entrega corriente a una carga, el
mercurio continúa actuando sobre las impurezas en el zinc. Esto hace que las impurezas abandonen la superficie de el electrodo de zinc y floten a la superficie del mercurio. Este proceso aumenta considerablemente la vida de almacenamiento de la célula.

P14. Describa tres formas de prevenir la polarización.
P15. Describa la acción local.