bateria casera

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Cómo realizar una bateria casera con monedas de cobre, papel aluminio y vinagre.

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DIEGO OMAR GMEZ COMISIN : 21

ELECTROQUMICALa electroqumica es la rama de la ciencia que estudia la conversin entre la energa elctrica y la energa qumica. Los procesos electroqumicos son reacciones redox (oxidacin-reduccin) en las cuales la energa liberada por una reaccin espontnea se convierte en electricidad o la energa elctrica se aprovecha para provocar una reaccin qumica no espontnea.Reacciones RedoxEn las reacciones redox se transfieren electrones de una especie a otra. La oxidacin se define como la prdida de electrones y la reduccin como la ganancia de electrones por un tomo. A veces la oxidacin se define como un aumento del estado de oxidacin de un elemento y la reduccin como una disminucin del estado de oxidacin. En una reaccin redox la oxidacin y la reduccin ocurren simultneamente; dependen la una de la otra y el nmero total de electrones perdido por una especie en la oxidacin debe ser igual al nmero de electrones de electrones ganados por la otra especie en la reduccin, es decir que en una reaccin de oxido-reduccin no hay exceso ni deficiencia de electrones.

Por ejemplo el hierro es capaz de reaccionar con el cloro de acuerdo a la siguiente reaccin:2 Fe + 3 Cl2 2 FeCl3 (1)sta ecuacin se puede desdoblar en dos semirreacciones que permiten aclarar los conceptos mencionados:Semireaccin de Oxidacin: Fe 0 Fe3+ + 3e-Se refiere a la media reaccin donde un tomo o un grupo de tomos pierden e-. En este caso el nmero de oxidacin del hierro (Fe) cambia de cero a +3. Como el tomo de Fe aument su nmero de oxidacin se dice que se oxid.Semireaccin de Reduccin: Cl2 0 + 2e- 2Cl-Se refiere a la media reaccin donde un tomo o un grupo de tomos ganan e-. En este caso el nmero de oxidacin de la especie Cl2 (0) disminuye a -1 por lo tanto se redujo. REDUCCIN

OXIDACIN

Ganancia de e-

Disminuye N de oxidacinAgente Reductor:El que reduce se oxidaPrdida de e-

Aumenta N de oxidacinAgente Oxidante:El que oxida se reduce

En la ecuacin (1) el agente oxidante es el Cloro, por ser la sustancia que causa la oxidacin y como resultado su nmero de oxidacin disminuye. El agente reductor es el Hierro, por ser la sustancia que efecta la reduccin y en consecuencia su nmero de oxidacin aumenta.

Como en una reaccin de xido-reduccin no hay exceso ni deficiencia de electrones debemos tratar de balancear la ecuacin de tal manera que los electrones que perdi una especie sean ganados por la otra, en nuestro ejemplo: 2(Fe 0 Fe3+ + 3e-)

3 (Cl2 0 + 2e- 2Cl-)

2 Fe + 3 Cl2 + 6e- 2 Fe3+ + 6 Cl- + 6 e-

Balanceo de las ecuaciones de Oxido-Reduccin Pretender balancear una ecuacin redox por tanteo o simple inspeccin es una misin casi imposible. Para su balance se pueden utilizar dos mtodos: el mtodo de in electrn y el del nmero de oxidacin. BALANCEO DE REACCIONES REDOX POR EL MTODO DEL IN-ELECTRNSe utiliza para ajustar reacciones que tienen lugar en disolucin. Consiste en ajustar por separado las semirreacciones de oxidacin y de reduccin. Si las sustancias que se oxida no se reducen presentan enlace inico se toman los iones correspondientes. Si, por el contrario, forman enlace covalente se escribe la molcula completa. Procedimiento:1. Escribir la reaccin global sin ajustar.

2. Asignar nmeros de oxidacin a todos los elementos.

3. Escribir por separado las semirreacciones de oxidacin y de reduccin.

4. Ajustar los tomos que no sean ni hidrgeno ni oxgeno.

5. Ajustar los tomos de oxgeno aadiendo molculas de agua.

6. Ajustar los tomos de hidrgeno aadiendo protones.

7. Ajustar las cargas elctricas con electrones.

8. Igualar los electrones en cada semirreaccin.

9. Sumar las dos semirreacciones eliminando los trminos comunes.

Ajuste de reacciones en medio bsico(A partir del paso 9)

10. Aadir en ambos lados tantos OH- como protones haya.

11. Combinar los iones hidroxilo y los protones del mismo lado para formar agua.

12. Simplificar las molculas de agua.Celda Electroqumica

Es un dispositivo experimental para generar electricidad mediante una reaccin redox espontnea (a sta celda tambin se la denomina Celda galvnica o voltaica, en honor a los cientficos Luigi Galvani y Allesandro Volta). En la figura se muestran los componentes fundamentales de una celda electroqumica.

Las celdas electroqumicas tienen dos electrodos: El nodo y el Ctodo.

El nodo se define como el electrodo en el que se lleva a cabo la oxidacin y el ctodo donde se efecta la reduccin. Los electrodos pueden ser de cualquier material que sea un conductor elctrico, como metales, semiconductores. Tambin se usa mucho el grafito debido a su conductividad y a su bajo costo. Para completar el circuito elctrico, las disoluciones se conectan mediante un conductor por el que pasan los cationes y aniones, conocido como puente de sal (o como puente salino). Los cationes disueltos se mueven hacia el Ctodo y los aniones hacia el nodo. La corriente elctrica fluye del nodo al ctodo por que existe una diferencia de potencial elctrico entre ambos electrolticos. Esa diferencia se mide con la ayuda de un voltmetro y es conocida como el voltaje de la celda. Tambin se denomina fuerza electromotriz (fem) o bien como potencial de celda. En una celda galvnica donde el nodo sea una barra de Zinc y el ctodo sea una barra de Cobre, ambas sumergidas en soluciones de sus respectivos sulfatos, y unidas por un puente salino se la conocen como Pila de Daniell. Sus semi-reacciones son estas:

REACCIN ANDICA: Zn(s) Zn2+ (ac) + 2 e-

REACCIN CATDICA: Cu 2+ (ac) + 2e- Cu (s)

REACCIN NETA: Zn(s) + Cu 2+ (ac) Zn2+ (ac) + Cu (s)

La notacin convencional para representar las celdas electroqumicas es un diagrama de celda. En condiciones normales, para la pila de Daniell el diagrama sera:Zn (s) | Zn2+ (1 M) || Cu2+ (1M) | Cu (s)

Este diagrama est definido por: ANODO --> CATODO Electrodo negativo/electrolito // Electrolito/electrodo positivo (el / indica flujo de electrones y el // significa puente salino) la lnea vertical representa el lmite entre dos fases. La doble lnea vertical representa el puente salino. Por convencin, el nodo se escribe primero a la izquierda y los dems componentes aparecen en el mismo orden en que se encuentran al moverse de nodo a ctodo.

Potenciales Estndar de Electrodo La transferencia de electrones del nodo al ctodo a travs del circuito externo genera una corriente elctrica debido a que existe una diferencia de potencial entre ambos electrodos. Esta diferencia de potencial se mide en voltios y se suele denominar fuerza electromotriz (fem) o voltaje de la celda (pila), Ecel, que corresponde a la diferencia entre el potencial del ctodo, E ctodo, y el potencial del nodo, E nodo.Ecel = Ectodo - Enodo

Cuando todas las especies inicas que intervienen en la reaccin estn en concentracin unidad, y las presiones de todos los gases son de 1 atm, los correspondientes potenciales se denominan potenciales estndar y se simbolizan como E. En estas condiciones:

Ecel = Ectodo - Enodo

El potencial de un electrodo aislado no puede medirse individualmente. El nico valor que puede medirse experimentalmente con un voltmetro es la diferencia de potencial entre las dos semiceldas, es decir, la fem o voltaje de la celda. Sin embargo, es posible establecer valores relativos de potenciales estndar de semicelda eligiendo una como referencia. Por acuerdo internacional, se ha elegido como referencia o patrn arbitrario el potencial del electrodo estndar de hidrgeno EEH, tambin llamado electrodo normal de hidrgeno (ENH o NHE), al que se asigna E = 0 V a cualquier temperatura. ste electrodo consiste en un hilo de platino conectado a una lmina de platino platinada, recubierto por un tubo de vidrio, introducido en una disolucin HCl 1M. Por la parte superior del tubo se inyecta hidrgeno gas con una presin de 1 atm. Para medir el potencial elctrico de un electrodo se construye la pila con se electrodo y el EEH y se mide la fuerza electromotriz de esa pila. Por ejemplo, en la figura a) se muestra una celda electroqumica con un electrodo de Zn y un EEH y en la figura b) una celda formada por el EEH y un electrodo de Cu.

Las reacciones de semicelda se escriben de la siguiente forma:

a)

Ecel = Ectodo - Enodo = 0.00 E Zn2+ / Zn = 0.76

Entonces el potencial normal (o estndar) de reduccin del Zn es -0.76 V b)

Ecel = Ectodo - Enodo = E Cu2+ / Cu 0.00 = 0.34

Entonces el potencial normal (o estndar) de reduccin del Cu es 0.34V NOTA: En la ecuacin Ecel = Ectodo - Enodo, los potenciales de los respectivos electrodos corresponden a los potenciales de reduccin.

Los potenciales elctricos de los diferentes electrodos se ordenan en una tabla llamada escala de potenciales normales de reduccin o serie electroqumica de tensiones. Los valores de potencial elctrica que figuran en ella son los correspondientes al proceso de reduccin, todos ellos referidos al valor 0 para el potencial elctrico del electrodo normal de hidrgeno.

Si el potencial normal de reduccin un electrodo es negativo, significa que, en la pila formada por ese electrodo y el EEH, dicho electrodo acta como nodo, es decir, esa especie qumica es ms reductora que el hidrgeno ( caso del Zn) . Si, por el contrario, el potencial normal de reduccin de un electrodo es positivo, esa especie qumica es ms oxidante que el hidrgeno (caso del Cu).

Cuanto mayor sea el potencial normal de un electrodo mayor ser el carcter oxidante de esa especie, y cuanto menor sea el potencial normal, mayor ser el carcter reductor de la especie en cuestin.Espontaneidad de una reaccin RedoxEn una celda elctrica la energa qumica se transforma en energa elctrica que est dada por el producto de la fem de la celda por la carga elctrica.

Energa elctrica (joules) = fem (volts) x carga (coulombs)E elctrica = E0 x q

La carga est determinada por el nmero de moles de electrones (n) que pasan a travs del circuito.

q = nF

Donde: F = constante de Faraday (carga elctrica contenida en un mol de electrones).

1 F = 96500 Coulomb / mol

Entonces: G = E elec. = W elec. (Trabajo elctrico) = - E0nF

El signo es negativo cuando el trabajo lo realiza el sistema sobre los alrededores y G es la energa libre que tiene el sistema para realizar el trabajo elctrico.

G0 = -n F E0

Como G0 tiene que ser negativo para un proceso espontneo y n y F son positivos, entonces E0 celda tiene que ser positivo G0 = -R T ln K = - n F E0 celda

E0 celda = (- R T ln K ) / (-n F)

E0 celda = (-(8.314 J/kmol)(298 K )(2.3) log K ) / (n (96500 J/mol))= 0.06 log K / nRecordar que K es constante [ Q (cociente de reaccion) = Keq en equilibrio ]

Por lo tanto, si se conoce cualquiera de las cantidades G0, K, E0 celda, las otras 2 se pueden calcular.

La siguiente tabla nos da una relacin entre esas cantidades

GKE0 celdaReaccin

Negativa> 1+Espontnea

0= 10En equilibrio

Positiva< 1-No espontnea

Leyes de FaradayFaraday estudi cuantitativamente las reacciones de electrlisis. Enunci sus resultados en forma de leyes:

1- La masa de sustancia depositada en cada electrodo es proporcional a la cantidad de electricidad que ha circulado. 2- Para una misma cantidad de electricidad, la masa de sustancia obtenida es proporcional al equivalente-gramo de la misma.

Las dos leyes se resumen en al siguiente ecuacin:

m es la masa de la sustancia producida en el electrodo (en gramos),Q es la carga elctrica total que pas por la solucin (en coulomb),q es la carga del electrn = 1.602 x 10-19 culombios por electrn,n es el nmero de valencia de la sustancia como ion en la solucin (electrones por mol),F = qNA = 96485 Cmol-1 es la Constante de Faraday,M es la masa molar de la sustancia (en gramos por mol), yNA es el Nmero de Avogadro = 6.022 x 1023 iones por mol.I es la corriente elctrica (en amperios)t es el tiempo transcurrido (en segundos) Bateras En la seccin anterior se vio que la celda galvnica es un dispositivo en el cual una reaccin de xido-reduccin genera corriente elctrica mediante separacin de la sustancia oxidante y la reductora. Batera casera

Es un pequeo experimento casero que consiste en armar una celda voltaica formada por elementos que fcilmente pueden ser conseguidos en un casa.Materiales Se necesitan monedas (si son de cobre puro mejor) como las monedas de un centavo que fueron comunes en los 90s.

Cartn de un espesor entre 2 a 4 mm como el de un caja de zapatos u otra.

Papel aluminio como el que utiliza para envolver alimentos.

Vinagre que es el nombre comn para el cido actico diluido al 5%.

Una pequea cubeta para montar las partes.

Cables de un espesor no mayor a 1,5mm de seccin, como el de algunos juguetes, tambin es fcil de conseguir. No se requiere mucha cantidad, como mximo tramos de 15cm de colores diferentes (rojo y negro preferentemente).

Construccin: Las imgenes muestran una secuencia lgica para el armado de la celda

Recortar con tijera o cutter cuadrados de cartn de un tamao similar a las monedas (en nuestro caso de las monedas de 1 centavo).

Recortar tiras de papel aluminio de un ancho similar al de los cuadrados de cartn ( recordar que las tiras tendrn un largo que depender del tamao del rollo de papel de aluminio)

Doblar el papel aluminio para formar pequeos cuadritos similares a los de cartn en tamao.

En un recipiente colocar vinagre y los cuadritos de cartn para que estos ltimos absorban el lquido.

Con todos los materiales ya preparados formar las celdas acomodando los materiales en el siguiente orden: primero la moneda como terminal positivo o nodo (a la cual se le puede soldar un cable para formar el terminal); luego se coloca el cartn embebido en vinagre y finalmente papel aluminio que ser el terminal negativo o ctodo.

Se formarn celdas de acuerdo a la cantidad de voltaje que uno quiera.Falencias constructivasAl ser las monedas de composicin diferente (no todas son de cobre puro) los potenciales obtenidos sern diferentes. Al agregar mas celdas pueden ocasionarse pequeas perdidas que repercutirn en el valor final obtenido por sumatoria en serie de cada una, las prdidas se evidencian por el hecho de que el valor obtenido no es igual al valor que un esperara obtener de acuerdo a la cantidad de celdas.Explicacin

Cada celda formada por una moneda, un cartn con vinagre y el papel aluminio nos entrega una diferencia de potencial de aproximadamente 0,5 voltios, lo cual es una cifra muy similar al potencial estndar esperado para el cobre puro ( segn tabla estndar de potenciales). Ya que fue mencionado, la tabla de potenciales muestran valores estndar para los materiales con respecto al hidrgeno que en forma convencional tiene potencial cero. Eso quiere decir que de acuerdo a la teora redox, teniendo en cuenta que el cobre es el nodo y el voltaje obtenido, la reaccin se produce por oxidacin del cobre y reduccin del hidrgeno, es decir el aluminio interviene solo como terminal elctrico en la obtencin del voltaje ya que es el cobre el que cede sus electrones para que se produzca la corriente elctrica.Potenciales segn tabla de potenciales estndar

De donde se obtiene el hidrgeno ? Recordemos que el vinagre es un cido orgnico, es el cido actico o etanico

Este cido se encuentra diluido en agua al 5%, en su estructura vemos que contiene gran cantidad de hidrgenos que se aprovecharn en la reaccin.

Recordar que se liberan hidrgenos (in hidronio) al momento en que un cido se diluye en agua.Acetato de cobre Es una sustancia verde azulada que se obtiene como resultado de la reaccin y se evidencia en la superficie de las monedas. Cuanto voltaje se obtuvo?Se logr alcanzar una diferencia de potencial de 4 voltios al momento de ser armado, con el paso de las horas el vinagre comienza a secarse por evaporacin del agua y el voltaje se estabiliza en alrededor de 3 voltios. Dichos potenciales son suficientes para encender una lmpara LED durante 24horas (al menos ese fue el tiempo mximo que dur nuestra prueba) lo cual es interesante para ser una batera casera.Nota: Este informe se acompaa un con un video corto que muestra el proyecto en funcionamiento.