Fonament químic del funcionament de les piles (II)

En aquest post intentaré explicar el fonament químic del funcionament de les piles reconegudes com a recarregables des d'un punt de vista simplificat considerant la gran complexitat del tema que tracte d'abordar.

Hi ha quatre tipus fonamentals de piles recarregables:
- Liti-ió
- Níquel-Metal Hidrur
- Níquel-Cadmi
- Plom

Aquestes piles són conegudes per la seua capacitat de ser recarregades quan arriba el final de la seua vida útil, i estan popularitzant-se molt ràpidament degut als rendiments que oferixen i les millors qualitats per a abastir d'energia elèctrica els nostres dispositius. Cal reconéixer que existeixen inconvenients, com per exemple el seu elevat preu inicial o la toxicitat dels elements que s'utilitzen en la seua fabricació, que sovint comprén metalls pesants i altres substàncies que provoquen alts perjudicis al medi ambient en cas de lliurar-se al medi.

Començaré parlant dels acumuladors de plom, que coneixem i usem quotidianament en els nostres automòbils i en els sistemes d'emmagatzematge d'energia a les plantes solars o eòliques. Aquests acumuladors es composen de dos electrodes de plom, i un electròlit, que en el nostre cas es composa d'àcid sulfúric amb una densitat 1,28 g/mL.

En l'ànode el plom metàl·lic s'oxida a Pb(II) segons la reacció:

Pb (s) + HSO₄^- (aq) + H₂O (l) ↔ PbSO₄ (aq) + H₃O⁺ (aq) + 2 e^-

En el càtode el Plom(IV) en forma d'òxid de plom (IV) es redueix a Pb(II) segons la reacció:

PbO₂ (s) + HSO₄^- (aq) + 3 H₃O⁺ (aq) + 2 e^- ↔ PbSO₄ (aq) + 5 H₂O (l)

Quan se li subministra corrent a la bateria de plom, els dos equilibris citats es desplacen cap a l'esquerra, depositant el plom metàl·lic a l'ànode i òxid de plom(IV) al càtode, permetent, per tant un altre ús.
Aquest tipus d'acumuladors són comuns als automòbils, ja que poden proporcionar corrents enormes per períodes de temps mitjans, i a més són recarregables. El seu principal inconvenient és el pes, ja que la densitat del plom és de 11.340 g/mL.

Continuarem parlant de les piles de Níquel, en les seues dos variants: Níquel-Metal Hidrur i Níquel-Cadmi.

Les bateries de Níquel-Cadmi van ser les primeres bateries recarregables comunes per a l'ús civil. Tenen un potencial de 1.2 volts, però són generalment intercanviables amb les piles no recarregables en la majoria de les aplicacions domèstiques. Un dels majors inconvenients d'aquest tipus de piles és la toxicitat del Cadmi, un metall pesant altament contaminant en cas d'alliberament al medi, així com l'alt preu de manufactura d'aquest tipus de bateries. Un altre inconvenient és el seu "efecte memòria", que és una reducció del voltatge de la bateria quan es recarrega sense haver-se descarregat completament. Aquesta fase és transitòria i recuperable, i és un dels grans mites sobre les bateries. Cal indicar, però, que es tracta d'un dels millors acumuladors en termes tècnics, ja que no sofreix si se'l descarrega completament, i tolera un gran nombre de recàrregues sense deteriorar-se.

Les piles de Níquel-Metal Hidrur, en canvi, no sofreixen l'anomenat "efecte memòria", i per això s'han usat amb més extensió que les de Níquel-Cadmi, ja que tenen un impacte ambiental menor que les altres variants i el seu preu de fabricació és menor. Tenen una resistència interna menor, factor que possibilita l'extracció d'altes corrents sense pèrdues per efecte Joule en la pila. Cal esmentar també que el seu voltatge permaneix pràcticament constant sobre els 1.2 volts durant tot el cicle de descàrrega, característica que resulta altament favorable en dispositius que són sensibles a aquestes variacions.

Per concloure parlaré de les bateries de Liti-Ió, les més comuns hui en dia, amb aplicacions com alimentar telèfons mòbils, càmeres digitals i reproductors de música entre altres. Aquest tipus de bateria té prou avantatges, com el de poder adaptar el tamany de la bateria al lloc que deu ocupar definitivament, ser més lleugeres en comparació amb altres tipus de bateries recarregables, i no sofrir l' "efecte memòria", fet que fa que puguen ser recarregades en qualsevol estat de càrrega inicial. El major inconvenient és la seua vida útil, que és més curta que en els altres casos, així com el seu preu i dificultat en la manufactura, encara que s'està investigant en aquest camp per tal de millorar els rendiments i la vida útil d'aquest tipus d'acumuladors.

Rellotge mecànic del meu besavi (1914)

Vista la meua afició per la rellotgeria en aquests darrers dies, la meva àvia em va mostrar un rellotge que va pertànyer a son pare, és a dir, al meu besavi, que el va comprar l'any 1914 a un anterior usuari. Segons el que he pogut trobar en Internet, es tracta d'un rellotge de marca Lepine amb escapament de cilindre i 10 rubís. El rellotge no funcionava quan me'l va mostrar, però un lleuger moviment a la roda de balanç va fer que la maquinària tornara a la vida, i ací el tinc, funcionant estable a 18000 vibracions per hora i assenyalant l'hora uns cent anys després de la seva manufactura.

Per a que us feu una idea de la quantitat d'oscilacions que fa un rellotge en tota la seua vida, us diré que cada any un rellotge que funcione a 18000 vibracions per hora fa 157.680.000 tic-tacs. Per tant, si considerem que el rellotge ha funcionat només durant la meitat del període de temps entre la manufactura i avui en dia, haurà fet aproximadament 7.500.000.000 d'oscilacions completes.

Tot seguit us deixo unes fotos del rellotge. Podeu ampliar-les clicant sobre elles:

I la maquinària:Si algú té més dades sobre aquest model de rellotge, tot comentari amb informació serà ben rebut.

Fonament químic del funcionament de les piles

Hui us parlaré d'un tema que potser mai hageu considerat quan compreu unes piles, és a dir, el seu fonament químic. Per a parlar d'aquest tema, primer haurem de considerar la definició de pila elèctrica, per a seguir parlant dels diferents tipus de piles i acabar amb la descripció detallada de cada tipus.

Primer, cal dir que una pila elèctrica és aquell dispositiu que transforma energia química en energia elèctrica gràcies a les reaccions que tenen lloc al seu interior. Per tant, la pila transforma reactius en productes i obté com a conseqüència una diferència de potencial als extrems. Les reaccions que tenen lloc dins de les piles elèctriques són reaccions d'oxido-reducció, és a dir, reaccions de transferència d'electrons entre les espècies que intervenen en la reacció.

Després caldrà diferenciar entre diferents tipus de piles segons les reaccions que es donen en el seu interior:

Dins de les piles denominades no recarregables tenim principalment les següents:
- Salines (Zinc-Carboni)
- Alcalines (Zinc-Diòxid de Manganés)
- De botó (Òxid de plata i altres)

Entre les recarregables més usades podem trobar:
- Liti-Ió
- Níquel Metal-Hidrur
- Níquel-Cadmi
- Plom

Començaré parlant de les piles no recarregables per ser aquest tipus el més comú. Aquest és el cas de les piles salines i alcalines comunes en les aplicacions modernes.

La reacció que té lloc l'interior de les piles salines és la següent:

Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2 e^-
2 MnO₂(s) + 2 H⁺(aq) + 2 e^- → Mn₂O₃(s) + H₂O(l)
NH₄⁺(aq) → H⁺(aq) + NH₃(aq)

La reacció global és:

Zn(s) + 2 MnO₂(s) + 2 NH₄⁺(aq) → Mn₂O₃(s) + Zn(NH₃)₂²⁺(aq)

La reacció que té lloc en l'interior de les piles alcalines és lleugerament diferent, en tenir aquestes un component fortament bàsic en el seu interior, que sol ser hidròxid de sodi o potassi:

Zn (s) + 2OH⁻ (aq) → ZnO (s) + H₂O (l) + 2e⁻

2 MnO₂ (s) + H₂O (l) + 2e⁻ →Mn₂O₃ (s) + 2OH⁻ (aq)

Per tant, la reacció global és:

Zn (s) + 2 MnO₂ (s) → ZnO (s) + Mn₂O₃ (s)

Aquestes reaccions donen origen a una diferència de potencial en els extrems de la pila que nosaltres aprofitem quan connectem aquestos dispositius als nostres aparells elèctrics. A mesura que la reacció transcorre, la concentració dels reactius en l'interior de la pila varia a causa de l'equilibri redox que té lloc, i el potencial en els extrems minva com a conseqüència directa d'aquesta variació en les concentracions. Aquesta variació pot ser estudiada amb ajuda de l'equació de Nernst, que ens dóna el potencial sabent les concentracions dels reactius que intervenen en la reacció redox.

Descrit el fonament químic, sabem que aquestes reaccions són reversibles, i aquest és el tema on caldria investigar més a fons per tal de descobrir si realment les piles no recarregables ho són realment o és simplement una estratègia de les grans empreses per tal d'augmentar el seu benefici a costa dels consumidors.

Un altre dia parlaré de les experiències que he dut a terme per tal de verificar la reversibilitat dels sistemes redox de les piles convencionals, així com de les piles considerades recarregables.

Funcionament dels rellotges mecànics

Arran del comentari de Vicent, he pensat que potser seria convenient explicar com funciona un rellotge mecànic, ja siga automàtic o de corda manual.

El mecanisme d'aquests rellotges es basa, en definitiva, en la lley de Hooke per als molls, que com sabeu s'enuncia F=-k·x, on F es la força que el moll exercix, i x és la elongació del moll amb respecte a la mida inicial.

Aquesta propietat és aprofitada als rellotges mecànics per a mantindre constant l'oscilació d'una roda, anomenada roda de balanç, que està subjecta a aquest moll i pot girar lliurement sobre uns rodaments de tal manera que les pèrdues siguen mínimes. Aquesta roda impulsa l'àncora, una de les peces fonamentals, que limita el moviment de la roda d'escapament. Aquesta darrera roda és la que s'encarrega, a través dels mecanismes de reducció, de fer girar les agulles. Com que el període de la roda de balanç (foto a l'esquerra) es manté aproximadament constant al llarg de tota la reserva de corda, la roda d'escapament(foto central) manté un ritme constant que permet una bona indicació de l'hora sobre el dial. Aquest ritme pot ser alterat movent un petit selector que acurta o allarga el moll principal, fent que varie el període d'oscilació de la roda, i per tant el ritme del rellotge.

Ací teniu unes fotos del mecanisme:

Podeu clicar sobre les fotos per tal d'ampliar-les.

A més els rellotges mecànics porten un subconjunt per tal d'emmagatzemar l'energia subministrada pel portador del rellotge, ja siga donant corda manualment o a causa del moviment si el rellotge es automàtic, de tal manera que aquesta energia és transformada en energia potencial elàstica, i és emmagatzemada al barrilet, representat en la foto a la dreta. Aquesta és la reserva d'energia d'on el rellotge extrau la força per a poder funcionar correctament.

La part superior de la roda d'escapament és un engranatge que està connectat a una sèrie d'engranatges reductors, que estan representats en aquesta foto:
La roda número 1 és la roda de centre, també denominada segona roda. Gira a un ritme d'una volta cada 12 hores, i per tant, fa girar l'agulla que indica les hores. Aquesta roda també fa girar l'agulla dels minuts mitjançant un segon sistema de reducció. La roda número 2 és la tercera roda, un engranatge de reducció entre la roda 1 i la 3. Aquesta darrera,que és denominada quarta roda, va connectada a l'agulla que indica els segons, en tindre un període d'una volta cada minut. La roda número 4 és la roda d'escapament, que va controlada per la roda de balanç.

Cal afegir que el sistema que s'ha detallat ací correspon a l'escapament anomenat suís, i representa un dels molts sistemes que existeixen per tal de regular la precisió dels rellotges, encara que és el més usat actualment per la seua simplicitat i precisió.

Per a més informació, podeu visitar la següent web:
Haute Horlogerie