Pila alcalina: qué es, componentes, funcionamiento y usos
¿Qué es una pila alcalina?
Una pila alcalina es una batería que obtiene su energía de la reacción química de oxidación entre el zinc (cátodo) y el dióxido de manganeso (ánodo) y como electrolito utiliza hidróxido de potasio. El medio es básico, por eso se le llama “alcalina”.
Esta es la principal diferencia entre esta pila y muchas otras, donde sus electrolitos son ácidos, como ocurre con las pilas de zinc-carbono que usan sales de NH4Cl, o incluso ácido sulfúrico concentrado en las baterías de los automóviles.
Es también una pila seca, pues los electrolitos básicos se encuentran en forma de pasta con un bajo porcentaje de humedad, pero suficiente para permitir una migración de los iones participantes en las reacciones químicas hacia los electrodos, y así, completar el circuito de electrones.
Mientras más grande sea la pila, mayor será su tiempo de vida y capacidad de trabajo (en especial si están destinadas a artefactos que consumen mucha energía). Para artefactos pequeños, se tienen las pilas AA y AAA.
Otra diferencia, aparte del pH de su composición electrolítica, es que, recargables o no, duran por lo general más tiempo que las pilas ácidas.
Componentes de la pila alcalina
En la pila de zinc-carbono, hay dos electrodos: uno de zinc, y el otro de carbono grafítico. En su “versión básica” uno de los electrodos, en vez de ser de grafito, consiste de óxido de manganeso (IV), MnO2, mezclado con grafito.
La superficie de ambos electrodos se van consumiendo y recubriendo de los sólidos resultantes de las reacciones.
Asimismo, en lugar de una lata con superficie homogénea de zinc como contenedor de la celda, se tiene una serie de discos compactos (imagen superior).
En el centro de todos los discos yace una varilla de MnO2, en cuyo extremo superior sobresale una arandela aislante y marca el terminal positivo (cátodo) de la pila.
Los discos se cubren de una capa porosa y otra metálica, esta última pudiera ser también una película delgada de plástico.
La base de la pila constituye en el terminal negativo, donde el zinc se oxida y libera los electrones. Pero estos necesitan de un circuito externo para llegar hasta la cima de la pila, su terminal positivo.
La superficie del zinc no es lisa, como ocurre con las celdas de Leclanché, sino rugosa. Es decir, presentan muchos poros y una gran área superficial que aumentan la actividad de la pila.
Electrolitos básicos
La forma y estructura de las pilas cambian de acuerdo al tipo y diseño. No obstante, todas las pilas alcalinas tienen en común un pH básico de su composición electrolítica, el cual se debe a la adición de NaOH o KOH a la mezcla pastosa.
Realmente, son los iones OH– los que participan en las reacciones responsables de la energía eléctrica aportada por estos objetos.
¿Cómo funciona una pila alcalina?
Cuando la pila alcalina se ha conectado con el artefacto y se enciende, inmediatamente el zinc reacciona con el OH– de la pasta:
Zn(s) + 2OH–(ac) => Zn(OH)2(s) + 2e–
Los 2 electrones liberados por la oxidación del zinc viajan hacia el circuito externo, donde se encargan de dar marcha el mecanismo electrónico del artefacto.
Luego, regresan a la pila a través del terminal positivo (+), el cátodo, es decir, recorren el electrodo de MnO2-grafito. Como la pasta posee cierta humedad, tiene lugar la siguiente reacción:
2MnO2(s) + 2H2O(l) + 2e– => 2MnO(OH)(s) + 2OH–(ac)
Ahora el MnO2 se reduce o gana los electrones del Zn. Es por esta razón que este terminal corresponde al cátodo, que es donde ocurre la reducción.
El OH– se regenera al final del ciclo para volver a dar inicio la oxidación del Zn. En otras palabras, se difunden en el medio de la pasta hasta entrar en contacto nuevamente con el zinc pulverizado.
Asimismo, no se forman productos gaseosos, como ocurre con la pila de zinc-carbono, donde se genera NH3 y H2.
Llegará un punto donde toda la superficie del electrodo quedará cubierta por los sólidos de Zn(OH)2 y MnO(OH), poniendo fin a la vida útil de la pila.
Pilas recargables
La pila alcalina descrita no es recargable, por lo que una vez “muerta” no hay cómo volver a utilizarla. Esto es diferente con las recargables, que se caracterizan por tener reacciones reversibles.
Para revertir los productos a reactivos, debe aplicarse una corriente eléctrica en sentido contrario (no del ánodo al cátodo, sino del cátodo al ánodo).
Un ejemplo de una pila alcalina recargable es la NiMH. Esta consiste de un ánodo de NiOOH, el cual pierde electrones que se dirigen al cátodo de hidruro de níquel. Cuando se utiliza la pila se descarga, y es aquí donde viene la frase conocida “cargar la batería”.
Así, puede recargarse cientos de veces, según sea necesario. Sin embargo, no puede revertirse completamente el tiempo y alcanzar las condiciones originales (lo cual sería antinatural).
Asimismo, no puede recargarse de un modo arbitrario: deben seguirse las pautas recomendadas por el fabricante.
Es por ello que tarde o temprano estas pilas también perecen y pierden su eficacia. No obstante, presenta la ventaja de no ser rápidamente desechable, contribuyendo menos a la contaminación.
Otras baterías recargables son las de níquel-cadmio y las de litio.
Usos de las pilas alcalinas
– Algunas variantes de las pilas alcalinas son tan pequeñas que pueden usarse en relojes, controles remotos, relojes, radios, juguetes, computadoras, consolas, linternas, etc.
– En el mercado son estas las que predominan sobre otros tipos de pilas (al menos para usos domésticos). Duran más y generan más electricidad que las pilas convencionales de Leclanché.
– Funcionan muy bien en un amplio rango de temperaturas, inclusive pueden trabajar por debajo de los 0 °C, por lo que son una buena fuente de energía eléctrica para aquellos artefactos rodeados de hielo.
Si bien la pila zinc-manganeso no contiene sustancias tóxicas, otras pilas, por ejemplo las de mercurio, abren un debate sobre su posible impacto sobre el ambiente.
Referencias
- Whitten, Davis, Peck & Stanley (2008). Química. CENGAGE Learning.
- Preguntas frecuentes: ciencia. Recuperado de duracell.mx
- What Is the Difference Between Alkaline & Non-Alkaline Batteries? Recuperado de sciencing.com
- The Alkaline-Manganese Battery. Recuperado de micro.magnet.fsu.edu