pila voltaica

La pila voltaica fue la primera batería eléctrica que podía proporcionar continuamente una corriente eléctrica a un circuito. ^{[ 1 ]} Fue inventada por el químico italiano Alessandro Volta , quien publicó sus experimentos en 1799. ^{[ 2 ]} Su invención se remonta a una discusión entre Volta y Luigi Galvani , otro científico italiano que había realizado experimentos con patas de rana. ^{[ 3 ]} El uso de la pila voltaica permitió una rápida serie de otros descubrimientos, incluyendo la descomposición eléctrica ( electrólisis ) del agua en oxígeno e hidrógeno por William Nicholson y Anthony Carlisle (1800), y el descubrimiento o aislamiento de los elementos químicos sodio (1807), potasio (1807), calcio (1808), boro (1808), bario (1808), estroncio (1808) y magnesio (1808) por Humphry Davy . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Toda la industria eléctrica del siglo XIX se alimentó con baterías relacionadas con las de Volta (por ejemplo, la pila Daniell y la pila Grove ) hasta la llegada de la dinamo (el generador eléctrico) en la década de 1870. ^{[ 6 ]}

La invención de Volta se basó en el descubrimiento de Luigi Galvani en la década de 1780 de que un circuito de dos metales y la pata de una rana puede hacer que la pata de la rana responda. ^{[ 1 ]} En 1794, Volta demostró que cuando dos metales y un paño o cartón empapado en salmuera se disponen en un circuito, también producen una corriente eléctrica. En 1800, Volta apiló varios pares de discos alternos de cobre (o plata ) y zinc ( electrodos ) separados por un paño o cartón empapado en salmuera, lo que aumentó la fuerza electromotriz total. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Cuando los contactos superior e inferior se conectaron mediante un cable, fluyó una corriente eléctrica a través de la pila voltaica y el cable de conexión. Esta fue la primera batería "verdadera", que proporcionaba carga continua. ^{[ 9 ]}

Muchos instrumentos científicos que pertenecieron a Alessandro Volta se conservan en el Museo de Historia de la Universidad de Pavía , donde Volta impartió clases desde 1778 hasta 1819; lamentablemente, los ejemplares expuestos no son los originales, ya que los que se conservan en Pavía fueron prestados con motivo del centenario de la invención y posteriormente se perdieron en un incendio. ^{[ 10 ]}

El 20 de marzo de 1800, Alessandro Volta escribió a la Royal Society de Londres para describir la técnica de producción de corriente eléctrica mediante su dispositivo. ^{[ 11 ]} Al conocer la pila voltaica, William Nicholson y Anthony Carlisle la utilizaron para descubrir la electrólisis del agua. Humphry Davy demostró que la fuerza electromotriz , que impulsa la corriente eléctrica a través de un circuito que contiene una sola pila voltaica, era causada por una reacción química, no por la diferencia de potencial entre los dos metales. También utilizó la pila voltaica para descomponer sustancias químicas y producir nuevas sustancias químicas. William Hyde Wollaston demostró que la electricidad de las pilas voltaicas tenía efectos idénticos a los de la electricidad producida por fricción . En 1802, Vasily Petrov utilizó pilas voltaicas en el descubrimiento e investigación de los efectos del arco eléctrico .

Humphry Davy y Andrew Crosse estuvieron entre los primeros en desarrollar grandes pilas voltaicas. ^{[ 12 ]} Davy utilizó una pila de 2000 pares fabricada para la Royal Institution en 1808 para demostrar la descarga de arco de carbono ^{[ 13 ]} y aislar cinco nuevos elementos: bario, calcio, boro, estroncio y magnesio. ^{[ 14 ]}

Debido a que Volta creía que la fuerza electromotriz se producía en el contacto entre los dos metales, las pilas de Volta tenían un diseño diferente al diseño moderno ilustrado en esta página. Sus pilas tenían un disco adicional de cobre en la parte superior, en contacto con el zinc, y un disco adicional de zinc en la parte inferior, en contacto con el cobre. ^{[ 15 ]} Ampliando el trabajo de Volta y el trabajo sobre electromagnetismo de su mentor Humphry Davy , Michael Faraday utilizó tanto imanes como la pila voltaica en sus experimentos con electricidad. Faraday creía que todas las "electricidades" que se estudiaban en ese momento (voltaica, magnética, térmica y animal) eran una y la misma. Su trabajo para demostrar esta teoría lo llevó a proponer dos leyes de la electroquímica que estaban en conflicto directo con las creencias científicas vigentes en ese momento, establecidas por Volta treinta años antes. ^{[ 16 ]} Debido a sus contribuciones a la comprensión de este campo de estudio, Faraday y Volta son considerados entre los padres de la electroquímica . ^{[ 17 ]} Las palabras "electrodo" y "electrolito", utilizadas arriba para describir el trabajo de Volta, se deben a Faraday. ^{[ 18 ]}

La resistencia de la pila se expresa en términos de su fuerza electromotriz (fem), dada en voltios. La teoría de tensión de contacto de Alessandro Volta consideraba que la fem, que impulsa la corriente eléctrica a través de un circuito que contiene una pila voltaica, se produce en el contacto entre los dos metales. Volta no consideró significativo el electrolito, que generalmente era salmuera en sus experimentos. Sin embargo, los químicos pronto se dieron cuenta de que el agua en el electrolito participaba en las reacciones químicas de la pila y provocaba la liberación de hidrógeno gaseoso del electrodo de cobre o plata. ^{[ 4 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

La comprensión atomística moderna de una celda con electrodos de zinc y cobre separados por un electrolito es la siguiente. Cuando la celda proporciona una corriente eléctrica a través de un circuito externo, el zinc metálico en la superficie del ánodo de zinc se oxida y se disuelve en el electrolito como iones cargados eléctricamente (Zn ²⁺ ), dejando dos electrones cargados negativamente ( e ⁻) detrás en el metal:

ánodo ⁽ oxidación): Zn → ^Zn²⁺ + 2 e⁻    

Esta reacción se llama oxidación . Mientras el zinc entra en el electrolito, dos iones de hidrógeno con carga positiva (H ⁺ ) del electrolito aceptan dos electrones en la superficie del cátodo de cobre, se reducen y forman una molécula de hidrógeno sin carga (H2 ₎ :

cátodo (reducción): 2 H ⁺ + 2 e ⁻    H ₂

Esta reacción se denomina reducción . Los electrones del cobre, utilizados para formar las moléculas de hidrógeno, son suministrados por un cable o circuito externo que lo conecta al zinc. Las moléculas de hidrógeno formadas en la superficie del cobre mediante la reacción de reducción finalmente se liberan en forma de gas hidrógeno.

Se observa que la reacción electroquímica global no involucra inmediatamente el par electroquímico Cu²⁺ ^/ Cu(Ox/Red) correspondiente al cátodo de cobre. El disco de cobre, por lo tanto, solo actúa aquí como un conductor metálico noble "químicamente inerte" para el transporte de electrones en el circuito y no participa químicamente en la reacción en la fase acuosa. El cobre actúa como catalizador para la reacción de evolución de hidrógeno , que de otro modo podría ocurrir igualmente bien (aunque a una velocidad menor en ausencia del catalizador) directamente en el electrodo de zinc sin flujo de corriente a través del circuito externo. El electrodo de cobre podría reemplazarse en el sistema por cualquier conductor metálico suficientemente noble/inerte y catalíticamente activo (Ag, Pt, acero inoxidable, grafito, ...). La reacción global se puede escribir de la siguiente manera:

Zn + 2H ⁺ Zn ²⁺ + H ₂    

Esto se estiliza de manera útil mediante la notación de cadena electroquímica:

(ánodo: oxidación) Zn | Zn ²⁺ || 2H ⁺ | H ₂ | Cu (cátodo: reducción)

en la que una barra vertical representa cada vez una interfaz. La doble barra vertical representa las interfaces correspondientes al electrolito que impregna el disco de cartón poroso.

Cuando no se extrae corriente del conjunto, cada celda, compuesta de zinc, electrolito y cobre, genera 0,76 V con un electrolito de salmuera. Los voltajes de las celdas del conjunto se suman, por lo que las seis celdas del diagrama anterior generan 4,56 V de fuerza electromotriz.

Entre 1800 y la década de 1830 se inventaron varias pilas secas de alto voltaje en un intento por determinar la fuente de electricidad de la pila voltaica húmeda, y específicamente para respaldar la hipótesis de Volta sobre la tensión de contacto. De hecho, el propio Volta experimentó con una pila cuyos discos de cartón se habían secado, muy probablemente de forma accidental.

El primero en publicar el descubrimiento de una pila seca que producía corriente fue Johann Wilhelm Ritter en 1802, aunque en una revista poco conocida; durante la década siguiente, se anunció repetidamente como un nuevo descubrimiento. Un tipo de pila seca es la pila Zamboni . Francis Ronalds, en 1814, fue uno de los primeros en darse cuenta de que las pilas secas también funcionaban mediante reacción química en lugar de contacto metal con metal, aunque la corrosión no era visible debido a las corrientes muy pequeñas generadas. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

La pila seca podría considerarse la antecesora de la celda seca moderna .

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• Potencial de Volta
• botella de Leyden

• "Tutorial sobre pilas voltaicas" . Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos. Archivado del original el 5 de enero de 2014. Consultado el 11 de junio de 2008 .
• " The Voltaic Pile Archived 2023-10-12 at the Wayback Machine ". Electricidad. Kenyon.edu.
• Lewis, Nancy D., " Alessandro Volta The Voltaic Pile Archivado el 28-08-2008 en Wayback Machine ".
• Lewis, Nancy D., " Electroquímica de Humphry Davy Archivado el 25/07/2008 en Wayback Machine ".