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miércoles, 28 de enero de 2015

Batería de plomo-ácido: principio de funcionamiento



Depositamos en una cuba ácido sulfúrico (SO4H2) disuelto en agua (H2O), e introducimos dos electrodos: un electrodo de plomo (Pb) del lado izquierdo y un electrodo de dióxido de plomo del lado derecho (PbO2).
Al disolverse en agua, cada molécula de ácido sulfúrico se disocia en un ión sulfato negativo (anión) y dos iones hidrógenos positivos (cationes). El anión es negativo a expensas de dos electrones adicionales que le robó a cada uno de los dos átomos de hidrógeno. Como cada átomo de H solo contaba con un electrón, resulta positivo por la falta de un electrón.
El líquido contenido en la cuba, entre los electrodos de Pb y  PbO2, se denomina electrolito.
Reacciones químicas en el electrodo de Pb (Fig.1)
El símbolo de Pb con el cero pequeño en su parte superior indica que se trata de un átomo de plomo en estado metálico neutro. Cuando usamos un numero con un signo + o -, en lugar del cero, estamos indicando la falta o sobra de electrones, representando el número la cantidad de cargas de los electrones sobrantes o faltantes. Cuando los iones sulfato del electrolito se aproximan a los átomos neutros de plomo lo ionizan positivamente haciendo que pierda dos electrones, que van a quedar dentro del electrodo. El ión sulfato (-2), atrae electrostaaticamente al ión Pb (+2) y forman una molécula de sulfato de plomo (SO4Pb), mediante un enlace iónico entre ambos.
El resultado es que se forma una capa de sulfato de plomo sobre la superficie del electrodo de plomo y que los electrones que se liberan en el interior del plomo, hacen que este electrodo resulte negativo.
La reacción química mencionada se puede escribir de la siguiente manera:



Fig.1 – Reacciones químicas del electrolito sobre los electrodos de plomo y de dióxido de plomo
Reacciones químicas en el electrodo de PbO2 (Fig.1)
Los iones cargados de sulfato (-2) e hidrógeno (+) se aproximan a la molécula  de dióxido de plomo (netamente descargada), ionizándola, dando dos iones O (-2), que se unirán con iones de H(+), dando dos moléculas de agua y un ión Pb (+4), al que le sobra carga positiva para unirse con el ión SO4 (-2), o sea que necesitará extraer dos electrones del electrodo para ser compatible y resultar Pb(+2), pudiendo así unirse mediante un enlace electrostático (iónico). Al ser extraídos estos dos electrones del electrodo, este queda con una carencia de dos electrones, o sea dos huecos positivos. El borne resulta de esta manera positivo.
Cuando este mecanismo químico llega a su fin, tendremos una capa de sulfato de plomo rodeando la cara del borne, muchas moléculas de agua que se han adicionado al electrolito y el electrodo de la derecha fuertemente positivo electricamente.
La reacción descripta, se puede escribir de la siguiente manera:




Conexión de un circuito exterior (descarga)
Representaremos a la cuba y sus dos electrodos por medio del símbolo que se utiliza habitualmente, según ilustra la Fig.2. Conectamos una resistencia externa entre los dos electrodos.
La conexión de una carga eléctrica, como es la resistencia, permite a los electrones que sobraban en el electrodo negativo de Pb fluir hacia el electrodo positivo a través del circuito exterior. Esto reduce la carga en los electrodos y la diferencia de potencial eléctrico (voltaje) entre ellos. La batería se descargará cuando finalice el flujo de electrones existente.
Fig.2 – Representación circuital de la batería de Pb-ácido
con un circuito exterior conectado 
Carga de la batería
Si ahora conectamos una fuente de energía eléctrica exterior en lugar de la resistencia, haciendo coincidir su borne positivo con el positivo de la batería y los negativos entre si, forzará a los electrones del electrodo positivo de la batería a fluir hacia el electrodo negativo de la batería. Esto incrementará la carga y el voltaje en los electrodos de la batería. Las reacciones químicas son impulsadas a producirse en sentido inverso, convirtiendo la energía eléctrica suministrada por la fuente externa en energía química almacenada en la batería. El sulfato de plomo acumulado sobre los electrodos es removido y el electrolíto recuperado en su concentración original.




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