Principio de Funcionamiento de la Batería: ¿Cómo funciona una batería?
Principio de funcionamiento de la batería
Una batería funciona mediante la oxidación y reducción de un electrolito con metales. Cuando se colocan dos sustancias metálicas diferentes, llamadas electrodos, en un electrolito diluido, ocurren reacciones de oxidación y reducción en los electrodos, respectivamente, dependiendo de la afinidad electrónica del metal de los electrodos. Como resultado de la reacción de oxidación, un electrodo se carga negativamente, llamado cátodo, y debido a la reacción de reducción, otro electrodo se carga positivamente, llamado ánodo.
El cátodo forma el terminal negativo, mientras que el ánodo forma el terminal positivo de una batería. Para entender correctamente el principio básico de la batería, primero, debemos tener algunos conceptos básicos sobre electrolitos y afinidad electrónica. En realidad, cuando dos metales diferentes se sumergen en un electrolito, se producirá una diferencia de potencial entre estos metales.
Se ha encontrado que, cuando se añaden ciertos compuestos al agua, se disuelven y producen iones negativos y positivos. Este tipo de compuesto se llama electrolito. Los ejemplos populares de electrolitos son casi todos los tipos de sales, ácidos y bases, etc. La energía liberada durante la aceptación de un electrón por un átomo neutro se conoce como afinidad electrónica. Como la estructura atómica para diferentes materiales es diferente, la afinidad electrónica de diferentes materiales será diferente.
Si se sumergen dos tipos diferentes de metales en la misma solución electrolítica, uno de ellos ganará electrones y el otro liberará electrones. Cuál metal (o compuesto metálico) ganará electrones y cuál perderá electrones, depende de la afinidad electrónica de estos metales. El metal con baja afinidad electrónica ganará electrones de los iones negativos de la solución electrolítica.
Por otro lado, el metal con alta afinidad electrónica liberará electrones y estos electrones saldrán a la solución electrolítica y se agregarán a los iones positivos de la solución. De esta manera, uno de estos metales gana electrones y otro pierde electrones. Como resultado, habrá una diferencia en la concentración de electrones entre estos dos metales.
Esta diferencia en la concentración de electrones causa un potencial eléctrico desarrollado entre los metales. Este potencial eléctrico o f.e.m. puede ser utilizado como una fuente de voltaje en cualquier circuito electrónico o circuito eléctrico. Este es un principio general y básico de la batería y así es cómo funciona una batería.
Todas las celdas de baterías se basan solo en este principio básico. Vamos a discutirlo uno por uno. Como dijimos anteriormente, Alessandro Volta desarrolló la primera celda de batería, y esta celda es popularmente conocida como la simple celda voltaica. Este tipo de celda simple se puede crear muy fácilmente. Toma un recipiente y llénalo con ácido sulfúrico diluido como electrolito. Ahora sumergimos un rodillo de zinc y un rodillo de cobre en la solución y los conectamos externamente con una carga eléctrica. Ahora tu celda voltaica simple está completa. La corriente comenzará a fluir a través de la carga externa.
El zinc en ácido sulfúrico diluido libera electrones de la siguiente manera:
Estos iones Zn + + pasan al electrolito, y cada uno de los iones Zn + + deja dos electrones en el rodillo. Como resultado de la reacción de oxidación anterior, el electrodo de zinc queda cargado negativamente y, por lo tanto, actúa como cátodo. Consecuentemente, la concentración de iones Zn + + cerca del cátodo en el electrolito aumenta.
Según la propiedad del electrolito, el ácido sulfúrico diluido y el agua ya se han disociado en iones hidronio positivos y iones sulfato negativos, como se muestra a continuación:
Debido a la alta concentración de iones Zn+ + cerca del cátodo, los iones H3O+ se repelen hacia el electrodo de cobre y se descargan al absorber electrones de los átomos del rodillo de cobre. La siguiente reacción tiene lugar en el ánodo:
Como resultado de la reacción de reducción que tiene lugar en el electrodo de cobre, el rodillo de cobre se carga positivamente y, por lo tanto, actúa como ánodo.
Celda Daniell
La celda Daniell consiste en un recipiente de cobre que contiene una solución de sulfato de cobre. El recipiente de cobre mismo actúa como el electrodo positivo. Un jarrón poroso que contiene ácido sulfúrico diluido se coloca en el recipiente de cobre. Un rodillo de zinc amalgamado, sumergido dentro del ácido sulfúrico, actúa como el electrodo negativo.
El ácido sulfúrico diluido en el jarrón poroso reacciona con el zinc y, como resultado, se produce hidrógeno. La reacción tiene lugar de la siguiente manera:
La formación de ZnSO4 en el jarrón poroso no afecta el funcionamiento de la celda hasta que se depositen cristales de ZnSO4. El gas de hidrógeno pasa a través del jarrón poroso y reacciona con la solución de CuSO4 de la siguiente manera:
El cobre formado se deposita en el recipiente de cobre.
Historia de la batería
En el año 1936, durante el verano, se descubrió una tumba antigua durante la construcción de una nueva línea de ferrocarril cerca de la ciudad de Bagdad en Irak. Los restos encontrados en esa tumba tenían unos 2000 años de antigüedad. Entre estos restos, había algunas vasijas de arcilla selladas en la parte superior con asfalto. Un varilla de hierro, rodeada por un tubo cilíndrico hecho de una hoja de cobre enrollada, sobresalía de esta parte sellada.
Cuando los descubridores llenaron estas vasijas con un líquido ácido, encontraron una diferencia de potencial de alrededor de 2 voltios entre el hierro y el cobre. Estas vasijas de arcilla se sospechaban que eran celdas de batería de 2000 años de antigüedad. Nombraron la vasija como batería parta.
En 1786, Luigi Galvani, un anatomista y fisiólogo italiano, se sorprendió al ver que cuando tocaba las patas de una rana muerta con dos metales diferentes, los músculos de las patas se contraían.
No pudo entender la razón real, de lo contrario, habría sido conocido como el primer inventor de la celda de batería. Pensó que la reacción podría deberse a una propiedad de los tejidos.
Después, Alessandro Volta se dio cuenta del mismo fenómeno en cartulina empapada en agua salada en lugar de las patas de rana. Intercaló un disco de cobre y un disco de zinc con una pieza de cartulina empapada en agua salada entre ellos y encontró una
