Treball de Recerca de Batxillerat UNA PILA DE REACCIONS · La pila de Daniell El 1836, el químic britànic John Freder començaven a sorgir invents que requerien un sistema segur

ANNEXES Treball de Recerca de Batxillerat

UNA PILA DE REACCIONS

Estudi del potencial de les piles en funció de les

concentracions de reactius www.unapiladereaccions.wordpress.com

Autor: Valentí Prats Bigordà

Professora – tutora: Sra. Margarida Boada

Escola: Escola Tecnos

Data: 28 d’octubre de 2013

Curs acadèmic: 2013-2014

Annexes Treball de Recerca de Batxillerat – Una pila de reaccions – Escola Tecnos – Curs 2013-2014

2

Annexes al Treball de Recerca de Batxillerat - UNA PILA DE REACCIONS

i).-Història de la pila........................................................................................ 3

- Bateries de Bagdad

- La pila de Volta

- La pila Daniell

- Les piles de Grove

- La pila Leclanché

- La pila de níquel–cadmi

- La pila de níquel–ferro

- La pila alcalina

- La pila de mercuri

- La pila de níquel hidrogen

- Les piles de liti

ii).-L’electròlisi............................................................................................... 13

-Definició i funcionament

-Aplicacions de l’electròlisi

-Lleis de Faraday de l’electròlisi

iii).-Plana Web del projecte............................................................................ 15

iv).-Recull de fotografies de la part experimental.......................................... 16


3

i).-HISTÒRIA DE LA PILA

La pila electroquímica va tenir una forta importància en el desenvolupament de la

industrialització i modernització de la societat. Fins a l’actualitat, ha estat utilitzada per

a obtenir l’electricitat necessària per a fer funcionar la gran majoria d’utensilis, tant de

la nostra vida quotidiana com de l’àmbit professional. Això ha fomentat un afany per a

inventar nous models, de cara a obtenir noves piles més pràctiques i potents, facilitant

les nostres vides. Gracies a aquest interès, s’han arribat a obtenir una gran varietat de

piles, basades, principalment, en un mateix concepte, que és l’obtenció d’energia

elèctrica a partir d’una simple reacció química.

Aquest annex recull un breu resum de les diferents piles que han estat dissenyades al

llarg de la història, afegint-hi l’any de creació, junt amb l’inventor, i les diverses

característiques de cada una.

Bateries de Bagdad

Les bateries de Bagdad són uns recipients que consisteixen en dispositius amb un

recobriment de ceràmica, mig omplert amb una solució de vinagre, on una vara de ferro

era introduïda, a partir d’un cilindre de coure. El recipient mesurava uns 14cm de

llargada i 4cm d’amplada, i daten aproximadament uns 2000 anys.

Aquestes bateries van ser trobades en una tomba a un poblat a prop de Bagdad, en una

excavació durant la construcció d’una via de ferrocarril, el 1936. Aquesta troballa va

originar el plantejament d’una teoria que sosté que aquests dispositius van ser les


4

primeres piles mai fabricades. És cert que l’objecte en si pot funcionar com a una pila,

ja que ha estat comprovat que arriben a conduir el corrent elèctric, i poden arribar a un

voltatge entre 1,1V i 2V.

Tot i així, no tots els científics estan d’acord en que les bateries de Bagdad tinguessin

una funció energètica en el seu moment, ja que és molt probable que l’ús d’aquests

recipients fos de galvanitzat, procés en què es recobreix la superfície d’un metall amb

un altre, posant-hi metalls com or o plata per a fer joies, procés ja existent en èpoques

anteriors, com ara els egipcis o els babilònics.

La Pila de Volta

El 1780, a la Universitat de

Bolonya, el científic Luigi

Galvani, mentre disseccionava

una granota, va veure que el

múscul de la cuixa es va

contraure al tenir contacte amb

les pinces. Galvani li va donar el

nom d’electricitat animal, i creia

que provenia del mateix múscul.

Alessandro Volta, un amic seu,

atret per aquest fenomen, va

començar a fer experiments

utilitzant zinc, coure, plom o

estany, creient que aquest

esdeveniment havia estat causat

realment per la unió humida de

dos metalls.

El 1791 va demostrar aquesta hipòtesi i la va publicar. El 1800, Volta va inventar la

primera pila, capaç de generar un corrent continu d’electricitat. També va descobrir que

ajuntant diferents piles, connectades una darrere l’altre, el voltatge augmentava. També

va veure que el tipus metall determinaven el voltatge.

Annexes Treball de Recerca de Batxiller

La pila de volta, o pila voltaica, consisteix en un cilindre de discos de coure i zinc, units

en parelles d’un disc de coure i un de zinc, un a sobre de l’altre, se

de tela o paper, impregnat amb una dissolució aquosa de sal.

Malgrat tot, la pila de volta tenia alguns errors, com ara fugues de la dissolució aquosa

de sal, o algun curtcircuit, degut a que el pes dels discs comprimien massa la tela

impregnada. A més a més, era de curta durada.

Volta creia que aquesta electricitat es produïa degut al simple contacte entre dos metalls,

i no a causa de reaccions químiques, cosa completament errònia. Això va fer que alguns

científics com Humpry Davy busq

corrent elèctric, fins arribar a descobrir l’electròlisi, procés en què a partir d’un corrent

elèctric es produeix una reacció química.

La pila de Daniell

El 1836, el químic britànic John Freder

començaven a sorgir invents que requerien un sistema segur d’electricitat, de manera

que Daniell va buscar un nou tipus de pila, per a cobrir aquesta necessitat. La seva pila

consistia en un recipient de c

recipient més petit de fang, amb àcid sulfúric (H

que el fang és porós, de manera que permetia el pas d’ions i electrons. L’inconvenient

que presentava amb el pas del temps és que el coure podia acabar tapant els porus, i la

pila deixava de funcionar.

all de Recerca de Batxillerat – Una pila de reaccions – Escola Tecnos –

5


en parelles d’un disc de coure i un de zinc, un a sobre de l’altre, separats per una capa

de tela o paper, impregnat amb una dissolució aquosa de sal.



impregnada. A més a més, era de curta durada.



científics com Humpry Davy busquessin la relació entre les reaccions químiques i el


elèctric es produeix una reacció química.

El 1836, el químic britànic John Frederic Daniell va inventar una pila. En aquella època,



consistia en un recipient de coure amb sulfat de coure (CuSO4) a dins, a més a més d’un

recipient més petit de fang, amb àcid sulfúric (H2SO4) i una barra de zinc. Funcionava ja


pas del temps és que el coure podia acabar tapant els porus, i la

– Curs 2013-2014


parats per una capa





uessin la relació entre les reaccions químiques i el


ic Daniell va inventar una pila. En aquella època,



) a dins, a més a més d’un

) i una barra de zinc. Funcionava ja


pas del temps és que el coure podia acabar tapant els porus, i la


6

La pila Daniell que coneixem avui en dia consisteix en dos vasos separats un de l’altre.

Un fa la funció de càtode (amb una làmina de coure i una dissolució aquosa de sulfat de

coure), i l’altre fa funció d’ànode (amb una làmina de zinc i una dissolució aquosa de

sulfat de zinc). Aquests vasos estan units, per una banda, per un fil conductor (cable)

que uneix les dues làmines metàl·liques i per on circularan els electrons, i, per altra

banda, per un pont salí, que conté una dissolució aquosa de clorur de potassi (KCl), per

igualar les càrregues, que és per on circularan els ions.

Les piles de Grove

Sir William Robert Grove, un físic

britànic, va inventar dos models de piles.

El primer va ser inventat el 1839, i

consistia en una modificació de la pila

Daniell, formada per un ànode de zinc

submergit en àcid sulfúric, i un càtode de

platí submergit en àcid nítric, separats

per fang. Aquesta pila proporcionava un

voltatge quasi el doble de la pila Daniell.

L’inconvenient és que desprenia gasos

tòxics (òxid nítric) durant el

funcionament de la pila.

El segon model va ser inventat el 1842, amb el

propòsit de demostrar la possibilitat de corrent

elèctric a partir de oxigen i hidrogen. La pila

que va idear consistia en una sèrie de quatre

vasos amb un elèctrode de oxigen i un altre

d’hidrogen a cada un, separats per un

electròlit. Els vasos estaven connectats entre

ells en sèrie. Malgrat tot, el seu interès pràctic

no es va mostrar fins el 1960, quan la NASA

va decidir utilitzar-les en missions espacials.

Imatge de la pila de zinc-platí

Imatge de la pila d’oxigen i hidrogen de

Grove


7

La pila de Plom-Àcid

El 1859, el científic francès Gaston Planté va inventar una pila a partir d’un ànode de

plom amb un càtode de òxid de plom (IV), submergits en àcid sulfúric. Els dos

elèctrodes reaccionen amb l’àcid sulfúric, donant sulfat de coure (II), i, alhora, l’ànode

(plom) cedeix electrons al càtode (òxid de plom).

Aquesta bateria és coneguda ja que va ser la primera en poder ser recarregada , a partir

de subministrar-li un corrent invers d’electrons. El que en realitat passa és que es

restitueixen els valors inicials a partir d’aquest corrent invers. A més a més, produeix un

voltatge relativament alt, que oscil·la entre els 6V i els 12V.

Van ser usades, primerament, per a llanternes en els trens. Actualment, són utilitzades

en els cotxes convencionals, les quals són les anomenades“bateries dels cotxes”.

Imatge de pila plom-àcid de Gaston Planté

La pila Lechanché

El 1868, el francès Georges Leclanché va inventar una pila a partir de carboni i zinc. El

carboni era el càtode, i el zinc l’ànode. Va utilitzar una dissolució de clorur d’amoni

com a electròlit.

Aquesta pila va aconseguir un gran èxit ràpidament, i Leclanché les va comercialitzar

formant una empresa. Tot i així, tenia una durada bastant curta.


8

Posteriorment, el 1887, el científic

alemany Carl Gassner va fer una

pila semblant, però, va mesclar la

dissolució aquosa de clorur d’amoni

amb guix, per tal de que l’electròlit

no fos líquid, passant-se a anomenar

la “pila seca”, ja que era la primera

pila que no tenia cap component

líquid, cosa que la feia molt més

pràctica. Aquesta pila es va anar

estenent ràpidament, i en pocs anys

van sorgir diferents models.

La pila de Níquel-Cadmi

El 1899, el científic suec Waldmar Junger va dissenyar una pila recarregable a base de

níquel i cadmi, tal i com diu el nom, en una dissolució d’hidròxid de potassi. En

condicions estàndard té un potencial de 1,3V. Aquesta pila es va comercialitzar

ràpidament per tota Suècia, i, posteriorment, es va estendre cap a Estats Units. Avui dia

són unes piles molt comuns, i són tant d’ús domèstic com d’industrial.

Pila de níquel-cadmi

Imatge pila de Leclanché


9

La pila de Níquel-Ferro

El 1901, el científic i famós inventor nord-

americà Thomas Alva Edison va copiar un

model de pila de Waldmar Junger, que, el

mateix any que va idear la pila de níquel–

cadmi va crear també una pila amb níquel

i ferro, però era menys eficaç, tot i que

més barata, i la va descartar. A més a més,

Thomas Alva Edison la va patentar i

comercialitzar.

La Pila alcalina

El 1955, l’enginyer químic canadenc

Lewis Urry va inventar una pila amb el

propòsit de fer una modificació de la

bateria zinc–carboni (de Leclanché), que

era una de les bateries més utilitzades,

amb el propòsit de crear una pila que

tingués més durada, ja que era de curta

durada.

Aquesta nova pila mantenien els

elèctrodes de la pila seca, però substituïa

l’electròlit de clorur d’amoni per hidrur de

potassi (KOH), que, com que el potassi és

un metall alcalí, se li dona aquest nom a la

pila.

Més tard, el 1959, es van començar a

comercialitzar.

La pila de mercuri

La pila de mercuri va ser inventada el 1869. Consistia en un ànode de zinc i un càtode

d’òxid de mercuri (II). Va resultar molt pràctica ja que era molt petita, de manera que es


10

podia posar en objectes petits, com ara rellotges de polsera o audiòfons. Tot i així, es

van haver de retirar del mercat per la seva alta toxicitat a causa de la gran quantitat de

mercuri que tenia, que podia arribar fins al 30%.

Per a posar solució a aquest problema es van dissenyar les piles d’òxid de plata, que

eren pràcticament igual, amb excepció de l’òxid de mercuri (II), que es canviava per

òxid de plata. A més a més, proporcionaven un major voltatge.

Imatge pila de mercuri

La pila de níquel-hidrògen

Els anys 1970s es va idear una pila a partir d’hidrogen com a ànode, a una certa pressió,

i níquel com a càtode, ja que al fer aliatges amb aquest, dissol o allibera hidrogen, en

funció dels canvis de temperatura i pressió. El seguit de reaccions que s’hi donen són

més complexos que en els de les altres piles, ja que l’hidrogen s’oxida fins a formar

aigua sobre els elèctrodes de níquel, i posteriorment, aquest oxigen es torna a oxidar.

Aquesta bateria té l’avantatge de que allibera un gran potencial, però té l’inconvenient

de que el cadmi és un metall bastant car, verinós i perillós pel medi ambient. Per a

resoldre aquest problema, uns anys més tard es va inventar una variant d’aquesta pila,

que és la pila de níquel i hidrur metàl·lic (Ni–HM). Aquesta pila és recarregable i

substitueix el cadmi per un hidrur metàl·lic, tal i com indica el nom, de manera que no

és verinosa, a diferència de l’altra.


11

Imatge pila i carregador de pila de níquel i hidrur metàl·lic

Les piles de Liti

Ja a principis del segle XX, el científic G. N. Lewis havia estat experimentant alguna

pila amb liti, que, segons les seves característiques, seria un material ideal per a la

fabricació de piles, ja que és el metall amb menys densitat de tots, i té el potencial

electroquímic més elevat de tota la taula. Tot i així, els components de les seves piles no

poden estar en estat líquid, ja que sinó, el liti hi reaccionaria.

Les primeres piles de liti que van sortir al mercat van ser per la dècada del 1970, les

quals estaven formades per liti i un altre material: sulfur de ferro, diòxid de manganès,

diòxid de sofre, clorur de tionil i monofluorur de carboni.


12

A la dècada del 1980 van sorgir les anomenades piles liti ió, o ió liti. Aquesta pila,

creada per un grup d’investigació de l’empresa japonesa SONY, consisteix en un ànode

de carboni i un càtode d’un òxid metàl·lic, en una solució de sals de liti en un dissolvent

orgànic. Això li dóna una estabilitat que la pila de liti no té, ja que el liti reaccionava

violentament amb el medi aquós, i, a més a més, són recarregables. Malgrat tot, l’ànode

de carboni és bastant car, i s’estan estudiant diverses alternatives com el níquel,

manganès, o aliatges d’aquests metalls amb ions d’alumini i crom. Cap als anys 1990s,

les piles de liti ió es van anar perfeccionant, i van sorgir diferents models de piles. El

1991 SONY va començar a comercialitzar les primeres piles de liti ió.


13

ii).-L’ELECTRÒLISI

Definició i funcionament

L’electròlisi és un procés pel qual

s’origina una reacció d’oxidació-

reducció no espontània a partir del

pas d’un corrent elèctric per una

solució o un electròlit fos. Es pot

afirmar que l’electròlisi es el procés

contrari que el que es produeix en

una pila electroquímica, ja que, així

com a l’electròlisi es produeix una

transferència d’electrons per mitjà

d’un corrent elèctric, a la pila es

forma un flux d’electrons a partir de

la transferència d’aquests, en la

reacció redox.

No només són processos contraris, sinó que l’electròlisi i el procés produït a la pila

tenen altres diferències clares, com és el fet de que la pila conté dos electròlits, separats

en dos vasos, mentre que el procés de l’electròlisi només requereix l’ús d’un electròlit, i

els dos elèctrodes es troben en el mateix vas. A més a més, a diferència de la pila,

l’elèctrode que està carregat positivament és l’ànode, i el que està carregat negativament

és el càtode.

El funcionament de l’electròlisi consisteix en que hi ha un recipient amb un electròlit

dissolt en un dissolvent en concret, i dos elèctrodes (càtode i ànode) conductors

submergits a dins. Els elèctrodes es troben connectats a una bateria per mitjà d’un

conductor extern. El corrent elèctric que s’administra va en sentit contrari al de la pila.

Quan es comença a subministrar aquest corrent, els electrons van de la bateria al càtode,

el qual, al tenir electrons de més, atrau a ions de càrrega positiva, generalment de

l’element del càtode, els quals, al acabar amb càrrega neutres, s’uneixen al càtode.

Aquests ions positius que s’han unit al càtode han deixat a algun altre ió negatiu, el qual


14

atrau a l’element que forma l’ànode, el qual s’oxida (perd electrons), tornant-se en un ió

positiu, i unint-se a l’ió negatiu de la dissolució. Aquests electrons que han quedat

lliures a l’ànode van a parar a la bateria per mitjà del fil conductor.

Aplicacions de l’electròlisi

Degut a les seves característiques, amb l’electròlisi es pot arribar a aïllar un element en

un dels elèctrodes emprats en el procés. Això fa que l’electròlisi tingui una gran

importància en l’obtenció de metalls purs. Per tant, els processos electrolítics donen

molt joc en el camp dels metalls, i, en general, en tot el camp de la indústria i la

metal·lúrgia.

Algunes aplicacions de l’electròlisi són:

-Obtenció de metalls, com els alcalins i els

alcalinoterris, i l’alumini.

-Obtenció d’algun no metall, com ara l’hidrogen

i el clor.

-Recobriments metàl·lics, és a dir, recobrir un

metall amb un altra. Aquest procés s’usa molt

per la joieria, amb recobriments d’or o plata,

entre d’altres.

-Obtenció de metalls purs, o purificació de

metalls, com ara el coure. Aquest procés també

es coneix com electrometal·lúrgia.

-Anodització d’alguns metalls, que consisteix en recobrir un metall amb un òxid del

mateix metall, amb l’objectiu de protegir-lo envers la corrosió. Un exemple és el cas de

l’alumini.

-Obtenció d’hidròxid de sodi, àcid clorhídric, etc.

Així doncs, podem veure clarament que l’electròlisi és un procés molt usat en l’obtenció

d’algunes substàncies, generalment metalls, de cara a la indústria, majoritàriament.

Imatge electròlisi coure


15

Lleis de Faraday de l’electròlisi

Henry Faraday va ser un important físic i químic britànic que va fer grans estudis en el

camp de l’electromagnetisme i l’electroquímica al segle XIX. A la dècada del 1830, va

realitzar uns estudis que el van portar a fer les dues lleis sobre alguns comportaments en

el procés de l’electròlisi.

Les lleis són les següents:

-1a llei de Faraday: La quantitat de substància que es diposita o es desprèn en els

elèctrodes d’una cel·la electrolítica, durant el procés de l’electròlisi, és directament

proporcional a la quantitat d’electricitat que hi circula.

-2a llei de Faraday: La càrrega total que ha de passar per una cel·la electrolítica perquè

circuli 1mol d’electrons és de 96500C (constant de Faraday), és a dir, la càrrega

elèctrica que hi ha en 1mol d’electrons.

D’acord amb aquestes dues lleis, la quantitat d’electricitat que circula en el procés de

l’electròlisi està relacionada amb el nombre de molts, i per tant, amb la massa de

substància que s’oxida o es redueix en un elèctrode. Per saber la quantitat d’electricitat

que hi circula o la quantitat de substància que s’oxida o es redueix a l’electròlisi, només

fa falta utilitzar l’estequiometria entre aquests factors.

Aquestes lleis no s’han de confondre amb la llei de Faraday de l’electromagnetisme,

també coneguda com la llei de la inducció electromagnètica, o la llei de Faraday–Lenz,

la qual estableix que la força electromotriu d’un espiral a la constant de canvi del flux

magnètic d’aquesta.


16

III).-PÀGINA WEB DEL PROJECTE

S’ha creat una plana Web a Internet amb el contingut del projecte amb l’objectiu de

tenir recollit el treball en suport en línia i així poder ser d’ajut a altres estudiants que en

alguna ocasió requereixin conèixer la pila i el seu fonament químic en profunditat.

L’estructura de la plana Web segueix la del propi treball.

Per al disseny i contingut de la plana Web s’ha fet ús del portal per fer blogs

Wordpress. Sense aprofundir en la totalitat de les funcionalitats de Wordpress, el seu

funcionament és de fàcil aprenentatge, tractant-se bàsicament d’un processador de

textos.

Per a fer la plana Web, s’han seguit els següents passos:

1.-Definir l’estructura de la plana Web en base a la del propi treball

2.-Donar-se d’alta com a usuari de Wordpress.

3.-Donar d’alta el blog en qüestió.

4.-Escollir la imatge de la plana Web d’entre les que Wordpress ofereix. S’ha escollit la

plantilla de “Suburbia” que ofereix un estil minimalista, simple i actual.

5.-Pujar la informació com a text, com a fitxers adjunts en format PDF o imatges.

L’adreça de la plana Web és www.unapiladereaccions.worpress.com.


17

IV).-RECULL DE FOTOGRAFIES DE LA PART EXPERIMENTAL

A continuació un recull de fotografies il·lustratives de la part experimental del projecte

fetes en el laboratori de l’escola.


18


19


20


21


22


23


24


25


26


27

Documents

Treball de Recerca de Batxillerat UNA PILA DE REACCIONS · La pila de Daniell El 1836, el químic britànic John Freder començaven a sorgir invents que requerien un sistema segur