Galv 1º Parte

8/18/2019 Galv 1º Parte

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Electroquímica

Como su nombre lo indica, estudia la relación entre la electricidad y laquímica, ya que cuando los electrones ( e- ) viajan a través de unconductor se genera una corriente eléctrica, y existen reacciones enlas cuales hay transferencia de electrones, siendo estas reacciones deoxido-reducción (reacciones REDOX), es decir, los electrones son losculpables de la interacción electricidad-química

!ependiendo de causa-efecto existen dos posibilidades

"ue la causa sea la electricidad y el efecto sea la química (reacción

#edox) $n tal caso el %enómeno electroquímico se llama &CeldaElectrolítica' y se distingue con el símbolo

+ -

$l símbolo anterior representa una fuente de corriente directa (C!) con lacual se suministra como causa la electricidad requerida para queocurra la reacción redox i la corriente no se suministra (esto se llamacircuito abierto) la reacción no ocurre, por lo tanto esta reacción químicano es espontánea

"ue la causa sea la química (reacción redox espont*nea) y el e%ectosea la electricidad $n tal caso el %enómeno electroquímico se llama&Celda al!ánica o Celda +oltaica' y se distingue con el símbolo

$l símbolo anterior representa una lámpara que consume la electricidadproducida por la reacción redox i no se conecta la l*mpara u otroelemento (una resistencia, un radio, una calculadora, etc) para usar la

corriente directa generada, la reacción por ser espontánea de todasmaneras ocurre y en ese caso genera un %enómeno que se llama&Corrosión' Cabe anotar que la corrosión es un problema con el cual seen%rentan los ingenieros a diario en las plantas o %actorías

bserve que el sím"olo de la celda est* dado en función de la electricidadcomo causa o como efecto


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Criterios específicos

odo electrodo (por causa . e%ecto), posee si#nos contrarios en loscircuitos interno.externo, ya que si el electrodo tiene signo m*s en elcircuito externo como causa, en el circuito interno atrae a los ionesnegativos y recha/a los iones positivos como e%ecto

+ causa +

+ - + - + - + - - - - + ++ - + - + - - - - - - + ++ - + - + - efecto -- - - + +

+ - + - + - - - - - + +

0a polaridad de un electrodo la determina el si#no que él poseaseg1n la causa (Con esto nos evitamos aprender la polaridad de los electrodos por memoria ypor convención)

$ara celda #al!ánica%

$n este caso, que es una celda galv*nica, como

el circuito est* abierto ( ) 'nada' ocurre,pero cuando se cierra el circuito los ionesespont*neamente mi#ran hacia lados opuestos&causa' +amos a asumir que los positivos migranhacia la derecha, (puede ser al contrario)

e%ecto

+-

causa

(nodo &-' + - c*todo Como efecto, en cada electrodo, se induce en el

circuito externo el signo contrario +emos que elelectrodo de la i)quierda posee si#no más en elcircuito externo y por & primera/os es el ánodo y

su polaridad es ne#ati!a porque es' el si#noque él posee seg1n la causa', y el c*todo es el

otro electrodo

e%ecto

- - causa + +

- - + +- --

+ +


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2bserve que siempre el ion que migra al ánodo es el ne#ati!o y por esto los ionesne#ati!os los llaman aniones, de igual manera los cationes son los ionespositi!os porque ellos son los que migran al cátodo

Reacciones En celdas #al!ánicas, como la química es la causa no es necesarioplantear varias reacciones, solo se plantea la de oxidación especi%icada enel ánodo y la de reducción especi%icada en el cátodo y se balancean por elmétodo de reacciones medias o de ión electrón

Cálculos *eléctricos en celdas #al!ánicas, (0a electricidad es ele%ecto)

0a reacción redox es causa, y estas celdas se pueden simboli/ar asi 3nodo(s) sustancias anódicas sustancias catódicas C*todo(s)

⇑

Con esta in%ormación se plantea

por ion electrón la reacción deoxidación (de nuevo lo primerosiempre primero *nodo y

oxidacion)

$sto simboli/a unelemento que

separa el *nododel c*todo que&o"li#a' a los e- amigrar por elcircuito externo, sellama puentesalino

Con esta in%ormación se plantea

por ion electrón la reacción dereducción

$l elemento externo que separa el *nodo del c*todo se conoce como puentesalino, y es una solución acuosa saturada de la sal 4Cl o una membranasemi permeable, lo/a cer*mica sin esmaltar, que es porosa i este mediosemipermeable se deteriora, los e- migran del *nodo al c*todo por el circuito

interno ( &nadan') pero no se produce corriente eléctrica, en este caso sedice que la celda est* &en corto'$l e%ecto es una fuer)a electromotri) (%em) o !oltae o potencial,simboli/ado con la letra griega epsilon ε$n general

ε de la celda 5 ε de la reacción de oxidación en elánodo

6 ε de la rección de reducción en elcátodo

7lgunos valores de ε8para semi-reaciones de oxidación se presentan en la siguiente tabla

emi reacción de oxidación ε8(voltios)

0i 0i96 6 9e- :;@n n=6 6 =e- 9:@Ab Ab=6 6 =e- 9=@B= (g) =B96 6 =e- (este electrodo se conoce como electrodo de re%erencia)


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.$/0C.C0O1E2 DE CE/D.2 ./3(10C.2

0as mas conocidas celdas comerciales on

9 0a pila seca o pila 0eclanché= atería o acumulador de plomo, de amplio uso en vehículos: Celda de niquel . cadmioD Ailas de ion litio

Pilas de Litio (baterías primarias) Eueron introducidas en el comercio hace aproximadamente veinte aFosGna pila es un dispositivo para trans%ormar la energía química en energíaeléctrica $ste dispositivo se llama celda voltaica Gna pila est* %ormada por

una o m*s celdas voltaicas 0a %igura ;=, muestra los componentesprincipales de una pila de litio$sencialmente consiste en dos electrodos (*nodo y c*todo) y un medio quepermita la circulación de la corriente eléctrica entre *nodo y c*todo $stemedio que puede ser líquido o sólido constituye el electrolito 0os electrodosest*n %ormados por sustancias di%erentes y puede d*rseles %ormas del*minas, barras, tubos, etci una pila se conecta a un circuito externo y reali/a trabajo, su energíaquímica se convierte en energía eléctricaHndustrialmente se distinguen dos tipos de baterías

Â• Primarias o no regenerativas (pilas). En éstas, la reacción química serealiza en un solo sentido y termina agotndose, y

Â• !ecundarias (llamadas tam"ién acumuladores), donde la reacciónquímica inicial puede revertirse, aplicndoles una corriente eléctrica continuaopuesta a la producida por la "atería.FIGURA Nº 5.2 COPON!N"!# $! UNA PILA $! LI"IO !er fi#ura 145,6$n este proceso se veri%ica la reacción química opuesta regener*ndose losproductos iniciales $sta operación se llama IcargarI 0as bateríassecundarias o acumuladores son capaces de tener varios ciclos de carga ydescarga0a intensa investigación reali/ada en el campo de las pilas de litio, ha llevadoa di%erenciar distintos tipos de pilas, que podemos agruparlas en la %ormasiguiente

Â• #atería de ctodo sólido Â• #atería de electrolito sólido Â• #atería de ctodo solu"le.

http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/lb/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/gonzaleza01/capitulo5/figura1a.htmlhttp://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/lb/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/gonzaleza01/capitulo5/figura1a.html


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$n el cuadro ;;, se muestra el voltaje en circuito abierto de di%erentes tiposde pilas de litio, se puede apreciar adem*s, que las pilas de litio tienenvoltajes m*s altos que las pilas comerciales convencionales, (9,: - 9,@ +)CUA$RO N%& 5.5

CARAC"!R'#"ICA# $! LA# PRINCIPAL!# A"!RIA# $! LI"IO 70$O DE8.7ER0.

3O/7.9E 1O:01.& 3olts ' /

E1ER0. E2$EC0;0C.& ?# '

R.1ODE 7E:$ER.7@R.& ABC '

7&

8.7ER0.2 DE 2O/0DO

0itio J bismutatode plomo9,@ J 9,: 9; -9J D;

litio J trióxido de

bismuto 9,> J 9,; L -= J ;m

litio Jmono%luorurode carbonoto /i>&C;'A 9

=,> J =,@ = -= J @m

litio J óxidoc1prico& /i > Cu '

9,; J 9,D =>; -9 J >

litio J sul%uro

c1prico& /i > Cu2 ' l,@ J 9,; 9:; --- -

litio J sul%uro%erroso&/i>;e2'

9,D J 9,= 9=; --- -

litio J sul%uro%érrico 9,@ J 9,D 9: ---

litio J dióxido demanganeso =,K - =,> = -= J ;;

9

litio J cromato deplata

(:,= y =,; =>; -9 J ;;

=

0itio J óxido decromo

:,> J :,= => -: J ó -


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litio J pentóxidode vanadio:,: J =,; y=,K J =,; = -D J ó J

8.7ER0. DEE/EC7RO/07O2O/0DO

0itio J ioduro delitio 9,L 9; -D J 9>

litio J yodo=,K = 9 J D

8.7ER0.2 DE

2O/@8/E0itio J dióxido dea/u%re =,LJ=,> =K -;;J > 9

0itio J tionilcloruro - - - -

0itio J sul%urilcloruro - - - -

0as ventajas de las pilas de litio, son evidentes !ijimos anteriormente quedentro de los elementos met*licos, el litio posee la m*s alta concentración deenergía química potencial por unidad de peso o por unidad de volumen, loque lo hace particularmente importante para uso de pequeFas unidadesadapt*ndose a la tendencia de la miniaturi/ación$n $$GG las pilas de litio son la %uente de poder m*s importante en la%abricación de marcapasos e calcula que unos trescientos miltransplantados usan este tipo de pilas y el K M de los nuevos implantadosson diseFados con pilas de este elemento$as razones son%

Â• &a'or vida til

Â• &enor peso Â• &ayor conia"ilidad e esperan nuevos tipos de prótesis biomédicas, basadas en el éxito delmarcapasos2tra ventaja importante es el mejor %uncionamiento a di%erentes rangos detemperaturas Aor ejemplo, a temperatura ambiente y hasta -> NOC variostipos de pilas de litio mantienen su capacidad $n cambio en las pilas


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tradicionales (alcalinas, carbón, /inc y mercurio), éstas capacidades bajan NP9; M2tro aspecto importante es el tiempo de almacenamiento Aara las pilas delitio varía entre = a 9 veces con respecto a las convencionales $sto exige

un sello hermético en las pilas de litio0a penetración de las pilas de litio en el campo de los relojes de pulsera,calculadoras, computadores personales o transportables, telé%onos celularesy en general en el campo electrónico y microelectrónico es pr*cticamentede%initivo y los nuevos diseFos est*n proyectados en este sentidoeg1n in%ormaciones de !uracell Hnternacional, #ayovac y Gnión Carbide,empe/aron la producción de pilas de litio en $$GG, en el aFo 9LK= $stascompaFías habían estado vendiendo pilas de litio %abricadas en Qapón por 9Rvlatsushita, anyo y oshiba

Cómo funcionan las "aterías de litio

$ila de /itio

Gna pila de 0itio presenta las siguientes ecuaciones de semicelda*nodo 0i(s) ------S 0i6 6 e-c*todo Tn2=(s) 6 0i6 6 e- ------S 0iTn2= (s)$sta pila tiene un potencial de : +olt y se usa en relojes, camaras,calculadoras, etc

0a actual tecnología de baterías de litio recargables o%rece hoy en día elmejor rendimiento para casi todos los aparatos electrónicos que requierenbatería independiente recargable, como los port*tiles ambién encontrar*sesta tecnología est*ndar en dispositivos como telé%onos móviles y A!7s 7ligual que con otras baterías recargables, a veces es necesario cambiar estas

https://nelsonacevedo72.files.wordpress.com/2011/07/perimetral02.jpghttp://3.bp.blogspot.com/_pO6_LWzFSx4/S10DlO3_tkI/AAAAAAAADU4/NSBoQFEpLmA/s1600-h/pila+de+litio.jpg


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baterías con el paso del tiempo $xpliquemos un poco esta tecnología paraentenderlaGna batería 0itio-ión (0i-Hon) $n el interior, encontramos dos electrodos demetal o de material compuesto (a base de carbono, por ejemplo), que est*n

inmersos en un líquido conductor (electrolito) $l conjunto es lo que llamamoscelda U la combinación de varias celdas %orma la bateríaCuando ésta es cargada y se le conecta un aparato a alimentar, el circuitoeléctrico del conjunto es cerrado $sto activa una reacción química queprovoca la circulación de partículas ioni/adas de un electrodo a otro,arrastrando la producción de electrones a los bornes de la batería, es decir laproducción de corriente $n cambio, si se conecta un cargador a los bornesde la batería, se produce un proceso químico inverso 0as partículas circulanentonces en la otra dirección, y la batería se recarga

7sí, gracias a la naturale/a reversible de la reacción química, la bateríapuede alternativamente cargarse o descargarse, lo que la di%erencia de una

pila simple Carga y descarga completas %orman un cicloobre la etiqueta de una batería %iguran en general dos valores lacapacidad, expresada en miliamperios-horas (m7h), y la tensión, indicada envoltios (+) Aara la tensión, una batería de telé%ono móvil %ija un valor de :,@ a:,> voltios $s la tensión media de una celda en una batería 0i-Hon $sinsu%iciente para alimentar un AC portable, ponemos entonces varias celdaspara obtener una batería de tensión m*s elevada2tra característica importante es la densidad de energía m*sica expresadaen Vatt-hora por Wilogramo (X)(h)J4g, revela la capacidad de la batería paratransportar un m*ximo de energía por un peso mínimo !el mismo modo,hablamos de densidad de energía volumétrica si consideramos el volumenmínimo en lugar del peso0as baterías de 0itio Hón cl*sicas necesitan Cobalto, que cuesta caro, espoco abundante y es tóxico $n las baterías de 0itio Hón de nuevageneración, este cobalto es reempla/ado por el %os%ato de hierro, que esbarato, no plantean problemas de recursos y son ecológicos Boy, existen =grandes %amilias de baterías las de &plomo' y las de &litio'0os controladores o comandos electrónicos permiten regular la energía de labatería transmitida al motor en %unción de los par*metros exterioresproporcionados por uno o varios captadores7ecnolo#ía estándar

0as baterías de iones de litio proporcionan m*s densidad energética que lasbaterías de níquel, lo que da lugar a una mayor autonomía de batería en undiseFo m*s ligero, ya que el litio es el metal m*s liviano que existe 7dem*s,las baterías de iones de litio te permiten hacer recargas cuando te sea m*scómodo, sin tener que esperar a que acabe el ciclo completo de carga odescarga que exigen las baterías de níquel para %uncionar a plenorendimiento (con el tiempo se %orman cristales en las baterías de níquel, lo


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que impide la carga completa de las mismas y obliga a tener que hacer unadescarga total)Car#a estándar Yran parte de las baterías de iones de litio utili/a una carga r*pida para

alimentar tu dispositivo hasta un K M de la capacidad de su batería,pasando después a una carga m*s lenta Auedes cargar todas tus bateríasde iones de litio m1ltiples veces, aunque no de %orma ilimitada, en %unción delciclo de carga

Ciclo decar#a,$l uso y la carga del 9 M de la capacidad de la batería equivale a unciclo de carga completoGn ciclo de carga supone el uso de toda la potencia de la batería, pero noimplica necesariamente una 1nica carga Cada ve/ que completas un ciclode carga la capacidad de la batería disminuye ligeramenteZ sin embargo,

puedes someter las baterías de tu equipo port*til a varios ciclos de cargaantes de llegar al K M de la capacidad original de la batería Como sucedecon otras baterías recargables, es posible que con el tiempo tengas quecambiar tu bateríaCómo maximi)ar el uso ener#ético$l periodo de tiempo durante el cual la batería alimentar* tu dispositivodepende del uso que le des Aor ejemplo, viendo un !+! gastar*s la bateríade un port*til m*s r*pidamente que si utili/as un simple procesador detextos $xisten varios métodos sencillos que puedes seguir para maximi/ar laautonomía de la batería de los dispositivosAor ejemplo, en port*tiles, TA:, móviles, A!7,[ tiene mucha importancia el

brillo de la pantalla, así como la activación o no de comunicaciones comoluetooth, in%rarrojos, etc[ 0ee el manual de cada dispositivo pues ahísiempre viene in%ormación de cómo ahorrar energía$s importante ver que una batería de litio con el 9 M de su carga, en unambiente a @ grados celsius, durante tres meses, reduce su capacidad dealmacenamiento de energía, en %orma permanente, a un @M 0o anterior puede ocurrir si trabajamos todo el verano, con la computadora enchu%ada ala electricidad y la batería puesta en el equipo, lo cual hace que este al 9Mde su carga todo el tiempo, en medio de un ambiente caluroso $l daFo sedebe a que la alta temperatura y la alta energía almacenada generanreacciones químicas que deterioran la bateríaC*al es la +ida de ,-a batería de litioio-/ odas las baterías tienen un desgaste natural debido a las reaccionesquímicas que suceden en su interior, sino durarían para siempre $n el casode las baterías de litio una vida de entre K-9= cargas es bastantenormal 7dem*s el desgaste de la batería es un desgaste progresivo, así quepuedes alcan/ar las = cargas con un @M de capacidad Aor ello, tubatería no dejar* de %uncionar de repente, sino m*s bien dejar* de tener


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tanta capacidad a lo largo de los aFos a un ritmo de desgaste del ;-9M por aFoEuente Hnternet y 7pplehttpsJJnelsonacevedo>=VordpresscomJ=99J>J9=Jcomo-%uncionan-las-

baterias-de-litioJhttpsJJnelsonacevedo>=VordpresscomJ=99J>J9=Jcomo-%uncionan-las-baterias-de-litioJhttpJJquimicaDmblogspotpeJ=9J9Jpila-de-litiohtml

Aero, podrá este metal soportar la que se le !iene encimaF

!e la energía química a la eléctrica, y viceversa 7ntes de continuar por los caminos de la o%erta y la demanda, parece unabuena idea explicar cómo %unciona una batería y qué hace al litio uncomponente tan importante para su desarrollo

Gna batería no es m*s que un acumulador de electricidad que utili/areacciones electroquímicas eléctricamente reversibles, de %orma que cuandotranscurre en un sentido, la reacción química utili/a los componentes de la


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pila para generar corriente eléctrica, mientras que si se aplica una corrienteen sentido inverso, los materiales consumidos se regeneran

El uncionamiento de los grandes pac*s de "aterías que incorporan los +E

es similar al de las pilas convencionales, y se "asa en una reacción químicadenominada redo $n realidad, los grandes pacWs de baterías que incorporan los cocheshíbridos y eléctricos no son muy di%erentes de las pilas que utili/amos encasa diariamente Como la batería del port*til con el que puedes estar leyendo esto ahora mismo, utili/an un principio químico b*sico conocidocomo oxidación-reducción (redox), en el que se produce un intercam"iode electrones que posteriormente es aprovechado para hacer %uncionar losdi%erentes componentes eléctricos

7 grandes rasgos, tal y como puede verse en la imagen anterior, una bateríaest* %ormada por el electrolito (disolución que contiene los iones)Z doselectrodos denominados *nodo y c*todo, en los que se producen losprocesos de oxidación y reducción respectivamenteZ y un medio decontacto entre las disoluciones cuya %unción es la de mantener laelectroneutralidad mediante el movimiento interno de iones (en la imagen, untabique poroso, aunque puede ser también un puente salino)

$n el caso de las baterías de iones de litio, el componente com1n de todasellas es el electrolito, %ormado por sales de litio $l *nodo suele ser decarbono, mientras que el c*todo puede ser de diversos metales, comomanganeso, %os%ato, hierro o cobalto, siendo los m*s comunes el primero yuna me/cla de níquel, manganeso y cobalto denominada


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]Aor qué litio en lugar de otros metales^$l litio es el elemento n1mero : de la tabla periódica y el sólido más li#ero,

en contraposición con el plomo de las baterías de arranque tradicionales, unconocido metal pesado U como todo el mundo sabe, en automoción laligere/a es un %actor muy importante :ás !ale un Gilo perdido que unca"allo #anado in embargo, no es sólo el peso el responsable de que lasbaterías de nueva generación estén compuestas de litio, sino la densidad deenergía que va asociada a él

0a densidad ener#ética se re%iere a la cantidad de energía que puedeacumularse por unidad de masa o de volumen Cuanto mayor sea ladensidad energética, mayor ser* la cantidad de energía disponible paraalmacenar por Wilogramo o litro de batería

-on una densidad energética msica de /0 123*g y una eicienciaenergética del 456, las "aterías de litio resultan las ms adecuadas para el desarrollo de los ve2ículos eléctricosAor ejemplo, las baterías de plomo-*cido tan sólo son capaces dealmacenar H


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que presentan una densidad energética de I65 G# 0as de polímero delitio en particular son capaces de almacenar a1n m*s energía, quintuplicandoel dato de las primeras hasta 6 G# 7dem*s, la e%iciencia energéticade las baterías de litio ronda el JK, %rente al L6M5K de las de plomo-*cido

Aero establecer comparaciones sólo con las baterías de plomo-*cido nosería justo $n el caso del oyota Arius, los módulos que incorpora est*n%abricados de


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est* presente en la corte/a terrestre en 5 partes por millón, o lo que es lomismo el M5K de la materia que hay en la corte/a terrestre es litio Aor suparte, el oro presenta una abundancia de MQ ppm $n porcentaje, lacantidad de oro presente en la corte/a terrestre corresponde

al MQK de la materia, ligeramente in%erior a la del litio

Aero estos datos por sí solos no dicen nada a la hora de valorar si el litio es ono un recurso sostenible y si ser* o no capa/ de a%rontar la gran demandaque le sobreviene al convertirse en el punto clave del desarrollo de laindustria automotri/ y de la electrónica de consumo

7issan prevé unas ventas de medio millón de eléctricos para /50, lo quedemandar //05 de toneladas de litio al a8o para la a"ricación de sus"aterías

Aara intentar situarnos tomaremos como re%erencia el


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_Conviene apuntar que estos clculos de servilleta han sido reali/ados sintener en cuenta el volumen de demanda generado por la industria de laelectrónica de consumo, ni la posibilidad de reciclar las baterías de 0i-Hon unave/ %inali/ada su vida 1til para recuperar los materiales que las componen

(un negocio que en la actualidad no resulta rentable, pero que seríaper%ectamente viable en caso de necesidad), aunque resultan igualmentev*lidos para un propósito meramente ilustrativo`

Con éstos datos encima de la mesa parece que la demanda de litio !a atener que aumentar muc=o para con!ertirse en el nue!o oro Aor %ortuna,su suministro est* garanti/ado durante al menos el próximo siglo, lo quepermitir* desarrollar a1n m*s el sector de las baterías, en el que los 1ltimosexperimentos han tenido resultados muy positivos, como es el caso delas células de litio y aire, presentadas por HT y que auguran autonomías de

hasta K Wilómetros

Gn tanto m*s para los electrones y otra piedra, esta ve/ met*lica, en eltejado de las petrolí%eras

Euente echnology #evieV XiWipedia H, HH $colaboratorio BoV tu%% XorWs U! Car!river, ed 7mericana (2ctubre =9)Hm*genes Aixculture (salar de 7tacama)$n ecmovia oyota asegura su abastacemiento de 0itio de cara a lospróximos aFos $nerys y Y7H7 otra joint venture para la investigación enbaterías de ion litio HT %ija en K Wm la autonomía de sus baterías de0itio-7ire

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