Una batería de limón es una batería simple que a menudo se fabrica con fines educativos. Por lo general, un trozo de zinc metálico (como un clavo galvanizado ) y un trozo de cobre (como un centavo) se insertan en un limón y se conectan mediante cables. La energía generada por la reacción de los metales se utiliza para alimentar un pequeño dispositivo, como un diodo emisor de luz (LED).
La batería de limón es similar a la primera batería eléctrica inventada en 1800 por Alessandro Volta , quien usó salmuera (agua salada) en lugar de jugo de limón. [1] La batería de limón ilustra el tipo de reacción química ( oxidación-reducción ) que ocurre en las baterías. [2] [3] [4] El zinc y el cobre se llaman electrodos , y el jugo dentro del limón se llama electrolito . Hay muchas variaciones de la celda de limón que usan diferentes frutas (o líquidos) como electrolitos y metales distintos del zinc y el cobre como electrodos.
Uso en proyectos escolares
Existen numerosos conjuntos de instrucciones para fabricar baterías de limón y para obtener componentes como diodos emisores de luz (LED), medidores eléctricos ( multímetros ) y clavos y tornillos recubiertos de zinc ( galvanizados ). [5] [6] Los equipos científicos comerciales de "reloj de patata" incluyen electrodos y un reloj digital de bajo voltaje. Después de ensamblar una celda, se puede usar un multímetro para medir el voltaje o la corriente eléctrica de la celda voltaica; un voltaje típico es 0.9 V con limones. Las corrientes son más variables, pero varían hasta aproximadamente 1 mA (cuanto más grandes son las superficies de los electrodos, mayor es la corriente). Para un efecto más visible, las celdas de limón se pueden conectar en serie para alimentar un LED (ver ilustración) u otros dispositivos. La conexión en serie aumenta el voltaje disponible para los dispositivos. Swartling y Morgan han publicado una lista de dispositivos de bajo voltaje junto con la cantidad correspondiente de celdas de limón que se necesitaban para alimentarlos; incluían LED, zumbadores piezoeléctricos y pequeños relojes digitales. Con los electrodos de zinc / cobre, se necesitaron al menos dos celdas de limón para cualquiera de estos dispositivos. [7] Sustituir un electrodo de magnesio por el electrodo de zinc crea una celda con un voltaje mayor (1.5−1.6 V), y una sola celda de magnesio / cobre alimentará algunos dispositivos. [7] Tenga en cuenta que las bombillas incandescentes de las linternas no se utilizan porque la batería de limón no está diseñada para producir suficiente corriente eléctrica para encenderlas. Al multiplicar la corriente promedio de un limón (0.001A / 1mA) por el voltaje promedio (más bajo) (diferencia de potencial) de un limón (0.7V) podemos concluir que se necesitarían más de 6 millones de limones para darnos el poder de una batería de automóvil promedio de 4320W.
Variaciones
Se pueden usar muchas frutas y líquidos para el electrolito ácido. La fruta es conveniente porque proporciona tanto el electrolito como una forma sencilla de sostener los electrodos. El ácido implicado en los cítricos (limones, naranjas, pomelos, etc.) es el ácido cítrico . La acidez, que está indicada por el pH medido , varía sustancialmente.
Las patatas tienen ácido fosfórico y funcionan bien; son la base de los kits comerciales de "relojes de patatas". [8] [9] Se ha propuesto que las baterías de patata con iluminación LED se utilicen en países pobres o en poblaciones fuera de la red. La investigación internacional iniciada en 2010 mostró que hervir papas durante ocho minutos mejora su producción eléctrica, al igual que colocar rodajas de papa entre múltiples placas de cobre y zinc. La médula (tallo) de plátano hervida y picada también es adecuada, según investigadores de Sri Lanka. [10]
En lugar de fruta, se pueden utilizar líquidos en varios recipientes. El vinagre casero ( ácido acético ) funciona bien. [11] El chucrut ( ácido láctico ) apareció en un episodio del programa de televisión estadounidense Head Rush (una rama del programa MythBusters ). El chucrut se había enlatado y se convirtió en el electrolito, mientras que la lata en sí era uno de los electrodos. [12]
Los electrodos de zinc y cobre son razonablemente seguros y fáciles de obtener. También se pueden estudiar otros metales como plomo, hierro, magnesio, etc. producen diferentes voltajes que el par de zinc / cobre. En particular, las celdas de magnesio / cobre pueden generar voltajes de hasta 1,6 V en celdas de limón. Este voltaje es mayor que el que se puede obtener con celdas de zinc / cobre. Es comparable al de las baterías domésticas estándar (1,5 V), que es útil para alimentar dispositivos con una sola celda en lugar de usar celdas en serie. [7]
Los resultados del aprendizaje
Para los alumnos más pequeños, de entre 5 y 9 años, el objetivo educativo es utilitario: [13] las baterías son dispositivos que pueden alimentar otros dispositivos, siempre que estén conectados por un material conductor. Las baterías son componentes de circuitos eléctricos; enganchar un solo cable entre una batería y una bombilla no encenderá la bombilla.
Para los niños de entre 10 y 13 años, las baterías se utilizan para ilustrar la conexión entre la química y la electricidad, así como para profundizar en el concepto de circuito de la electricidad. El hecho de que se utilicen diferentes elementos químicos como el cobre y el zinc puede situarse en un contexto más amplio de que los elementos no desaparecen ni se descomponen cuando sufren reacciones químicas.
Para los alumnos mayores y para los universitarios, las baterías sirven para ilustrar los principios de las reacciones de oxidación-reducción. [13] [14] Los estudiantes pueden descubrir que dos electrodos idénticos no producen voltaje y que diferentes pares de metales (además del cobre y el zinc) producen diferentes voltajes. Se pueden examinar los voltajes y corrientes de combinaciones en serie y en paralelo de las baterías. [15]
La corriente que emite la batería a través de un medidor dependerá del tamaño de los electrodos, qué tan lejos se insertan los electrodos en la fruta y qué tan cerca se colocan los electrodos entre sí; el voltaje es bastante independiente de estos detalles de los electrodos. [dieciséis]
Química
La mayoría de los libros de texto presentan el siguiente modelo para las reacciones químicas de una batería de limón. [1] [3] [17] Cuando la celda proporciona una corriente eléctrica a través de un circuito externo, el zinc metálico en la superficie del electrodo de zinc se disuelve en la solución. Los átomos de zinc se disuelven en el electrolito líquido como iones cargados eléctricamente (Zn 2+ ), dejando 2 electrones cargados negativamente (e - ) en el metal:
Esta reacción se llama oxidación . Mientras el zinc ingresa al electrolito, dos iones de hidrógeno cargados positivamente (H + ) del electrolito se combinan con dos electrones en la superficie del electrodo de cobre y forman una molécula de hidrógeno sin carga (H 2 ):
Esta reacción se llama reducción. Los electrones utilizados en el cobre para formar las moléculas de hidrógeno se transfieren desde el zinc a través de un cable externo que conecta el cobre y el zinc. Las moléculas de hidrógeno formadas en la superficie del cobre por la reacción de reducción finalmente burbujean como gas hidrógeno.
Resultados del experimento
Este modelo de reacciones químicas hace varias predicciones que fueron examinadas en experimentos publicados por Jerry Goodisman en 2001. Goodisman señala que numerosos autores recientes proponen reacciones químicas para la batería de limón que implican la disolución del electrodo de cobre en el electrolito. Goodisman excluye esta reacción por ser incompatible con los experimentos y señala que la química correcta, que implica la evolución de hidrógeno en el electrodo de cobre, pero que también puede utilizar plata en lugar de cobre, se conoce desde hace muchos años. [4] La mayoría de las predicciones detalladas del modelo se aplican al voltaje de la batería que se mide directamente con un medidor; nada más está conectado a la batería. Cuando se modificó el electrolito agregando sulfato de zinc (ZnSO 4 ), el voltaje de la celda se redujo como se predijo usando la ecuación de Nernst para el modelo. La ecuación de Nernst esencialmente dice cuánto cae el voltaje a medida que se agrega más sulfato de zinc. La adición de sulfato de cobre (CuSO 4 ) no afectó el voltaje. Este resultado es consistente con el hecho de que los átomos de cobre del electrodo no están involucrados en el modelo de reacción química de la celda.
Cuando la batería está conectada a un circuito externo y fluye una corriente eléctrica significativa, el electrodo de zinc pierde masa, como predice la reacción de oxidación del zinc anterior. De manera similar, el gas hidrógeno se desprende como burbujas del electrodo de cobre. Finalmente, el voltaje de la celda dependía de la acidez del electrolito, medida por su pH; la disminución de la acidez (y el aumento del pH) hace que el voltaje caiga. Este efecto también es predicho por la ecuación de Nernst; el ácido particular que se utilizó (cítrico, clorhídrico, sulfúrico, etc.) no afecta el voltaje excepto a través del valor de pH.
La predicción de la ecuación de Nernst falló para electrolitos fuertemente ácidos (pH <3.4), cuando el electrodo de zinc se disuelve en el electrolito incluso cuando la batería no proporciona corriente a un circuito. Las dos reacciones de oxidación-reducción enumeradas anteriormente solo ocurren cuando la carga eléctrica se puede transportar a través del circuito externo. La reacción de circuito abierto adicional se puede observar mediante la formación de burbujas en el electrodo de zinc bajo circuito abierto. Este efecto finalmente limitó el voltaje de las celdas a 1.0 V cerca de la temperatura ambiente en los niveles más altos de acidez.
Fuente de energía
La energía proviene del cambio químico en el zinc cuando se disuelve en el ácido. La energía no proviene del limón ni de la papa. El zinc se oxida dentro del limón, intercambiando algunos de sus electrones con el ácido para alcanzar un estado de menor energía, y la energía liberada proporciona la energía. [4]
En la práctica actual, el zinc se produce mediante la electrodeposición de sulfato de zinc o la reducción pirometalúrgica de zinc con carbono, lo que requiere un aporte de energía. La energía producida en la batería de limón proviene de revertir esta reacción, recuperando parte del aporte de energía durante la producción de zinc.
Célula de Smee
Desde 1840 hasta finales del siglo XIX, las grandes celdas voltaicas que utilizan un electrodo de zinc y un electrolito de ácido sulfúrico se utilizaron ampliamente en la industria de la impresión. Si bien a veces se usaban electrodos de cobre como los de las baterías de limón, en 1840 Alfred Smee inventó una versión refinada de esta celda que usaba plata con un revestimiento de platino rugoso en lugar de un electrodo de cobre. [18] [19] El gas hidrógeno adherido a la superficie de un electrodo de plata o cobre reduce la corriente eléctrica que se puede extraer de una celda; el fenómeno se llama "polarización". [17] [20] La superficie rugosa y "platinizada" acelera el burbujeo del gas hidrógeno y aumenta la corriente de la celda. A diferencia del electrodo de zinc, los electrodos de cobre o plata platinizada no se consumen al usar la batería y los detalles de este electrodo no afectan el voltaje de la celda. La celda de Smee era conveniente para la electrotipado , que producía planchas de cobre para la impresión tipográfica de periódicos y libros, y también estatuas y otros objetos metálicos. [19] [21] [22] [23] [24]
La celda de Smee utilizó zinc amalgamado en lugar de zinc puro; la superficie de zinc amalgamado se ha tratado con mercurio . [23] Aparentemente, el zinc amalgamado era menos propenso a degradarse por una solución ácida que el zinc puro. [25] Los electrodos de zinc amalgamado y zinc simple dan esencialmente el mismo voltaje cuando el zinc es puro. [26] Con el zinc imperfectamente refinado en los laboratorios del siglo XIX, normalmente daban diferentes voltajes. [25]
En la cultura popular
- En el videojuego Portal 2 , el antagonista GLaDOS estaba incrustado en una computadora con batería de papa durante una parte significativa del juego. [27]
- En el episodio de la sexta temporada de The Big Bang Theory "The Proton Resurgence", el héroe de la infancia de Leonard y Sheldon, el profesor Proton (Bob Newhart), intenta mostrarle al grupo una batería de patatas, lo que asombra a Penny.
- En el episodio de la temporada 6 de Bones "El apagón en la ventisca", Angela y los otros "entrecerrados" construyen una enorme batería de patatas en un intento de alimentar un teléfono celular. Al ilustrar el rendimiento patéticamente bajo de un sistema de este tipo, solo tiene éxito durante unos pocos segundos mientras se utilizan docenas de patatas.
- En el episodio " Limones " del programa de televisión Red Dwarf ( décima temporada (Serie X) ), la tripulación viaja 4.000 millas desde Gran Bretaña hasta la India en el año 23 d.C. con el fin de conseguir limones para construir una batería de limón para encender su máquina del tiempo . s devuelve el control remoto. [28]
- En el sexto episodio de la temporada final de Mystery Science Theatre 3000 , el villano principal Pearl Forrester intentó apoderarse del mundo usando baterías de papa, solo para que sus planes fueran arruinados por el profesor Bobo .
- En el episodio 8 de la temporada 7 de NCIS , "Power Down", Abby Sciuto usa limones como fuente de energía para su estéreo cuando se queda sin baterías durante un apagón. [29]
- En Magnum PI (Serie de TV 2018) , Temporada 3, episodio 2, "Easy Money", Magnum usa una batería de limón para cargar un walkie-talkie.
- En Terry Pratchett y Stephen Baxter 's The Long Tierra , los dispositivos utilizados para el paso de un universo a otro parecen estar alimentado por baterías de papa. [30]
- En Anne with an E Season 2, episodio 10, "The Growing Good of the World", Anne y sus compañeros de clase usan baterías de papa para demostrarle a su ciudad cuánto han aprendido de los métodos de enseñanza poco convencionales de su nueva maestra. [31]
Ver también
- Lista de tipos de baterías
- Alessandro Volta
- Célula electroquímica
- Célula galvánica
- Corrosión galvánica
- Celda de lasaña
- Batería de un centavo
Referencias
- ↑ a b Decker, Franco (enero de 2005). "Volta y el 'Pile ' " . Enciclopedia de electroquímica . Universidad Case Western Reserve. Archivado desde el original el 16 de julio de 2012.Volta usó plata, no cobre, en sus primeras celdas; las reacciones químicas involucradas en las celdas de zinc / cobre y zinc / plata son las mismas.
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- ^ "Proyecto de la batería de limón" . Burlington, Iowa: Cómo funcionan las cosas Proyectos científicos . Consultado el 11 de octubre de 2012 .Esta página web contiene instrucciones para maestros de escuela primaria. El proyecto utiliza el voltímetro para mostrar que la batería está funcionando. Un elemento clave es que se utilizan varios pares de electrodos (hierro / zinc, hierro / cobre, así como zinc / cobre) para producir diferentes voltajes.
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Antiguamente, una batería galvánica era una máquina estupenda y cara que ocupaba un gran espacio y costaba una suma considerable mantenerla en su corta duración. Ahora, se puede fabricar un instrumento mucho más poderoso en una caja de rapé y llevarlo en el bolsillo. Estas observaciones nos son impuestas por las asombrosas baterías de platino del Sr. Grove y las baterías químico-mecánicas inventadas por el Sr. Smee ...
- ^ a b Bottone, Selimo Romeo (1902). Baterías galvánicas, su teoría, construcción y uso, compuestas por celdas de fluido primario, simple y doble, baterías secundarias y de gas . Whittaker & Co. pág. 88 .
La primera mejora real sobre el zinc-cobre simple en la celda ácida se debió al Dr. Alfred Smee, quien notó que el gas hidrógeno liberado en la placa negativa se desprendía de ella mucho más fácilmente, por lo tanto, la polarización se produjo mucho menos rápidamente si la superficie de esta placa estaban rugosos en lugar de ser bastante lisos; y el medio que encontró más eficaz fue el de recubrir la hoja o las hojas de plata con platino finamente dividido ...
- ^ Watt, Charles; Watt, John, eds. (1840). "Revisión: Actas de la London Electrical Society, sesión de 1841-1842" . El químico ; O, Reportero de Descubrimientos y Mejoras Químicas, Volumen 1 . Londres: R. Hastings.
De la aplicación de esta celda se puede arreglar una modificación muy importante, convirtiéndola en una batería ACID , análoga a la plata platinizada del Sr. Smee. Quienes están familiarizados con el ingenioso dispositivo de ese caballero, saben que la característica de su disposición es que la placa negativa, donde se libera el hidrógeno, se separará con mucha facilidad de este hidrógeno. En circunstancias normales, el hidrógeno se adhiere mucho a las placas de una batería de ácido y, por su presencia en sus superficies, deja fuera de acción una parte considerable de las placas. Para remediar esto, ha "platinizado" las superficies, como él lo llama.
- ^ Gordon, James Edward Henry (1880). Un tratado físico sobre electricidad y magnetismo, Volumen 1 . D. Appleton y compañía. pag. 207.
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En 1840, Smee inventó una batería que hizo posible la electrotipado comercialmente. ... Quizás uno de los mayores avances en relación con el electrotipado se dio cuando se inventó la dinamo de galvanoplastia. La primera adopción de una dínamo, en lugar del tipo de batería Smee, fue realizada por Leslie, de Nueva York, en 1872.
Cartilla para aprendices de la industria gráfica. Buena breve introducción a la historia del electrotipado. - ^ a b Sprague, JT (1 de julio de 1874). "Electrodeposición de metales" . La Revista Telegráfica y la Revista Eléctrica . II (34): 237–239.
La celda Smee es la celda más comúnmente empleada debido a su extrema simplicidad de construcción y gestión.
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Se realizaron algunos encargos extremadamente importantes en electrotipos, como los "bronces" que adornan la Ópera de París, y la estatua de 320 cm de altura del Príncipe Alberto y cuatro figuras acompañantes, erigidas detrás del Albert Hall de Londres como monumento a la Gran Exposición. de 1851.
- ^ a b Park, Benjamín (1893). La célula voltaica: su construcción y su capacidad . J. Wiley. pag. 347 . OCLC 7399515 .
La propiedad singular que posee el zinc amalgamado de no ser atacado por el ácido sulfúrico diluido con agua se debe a la adhesión del hidrógeno a la placa en la solución ácida.
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Otras lecturas
- "Maglab - Tutorial simple de celda eléctrica" . Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético de EE. UU . Consultado el 30 de noviembre de 2012 .Descripción de una celda de ácido con electrodos de zinc y cobre, incluida una animación basada en JAVA. La animación muestra que el zinc se disuelve en el electrolito, los electrones fluyen desde el zinc a los electrodos de cobre y pequeñas burbujas de hidrógeno salen del electrodo de cobre. La animación también sugiere que una sola celda puede encender un LED, lo que no es posible para los LED que emiten luz visible.
- Margles, Samantha (2011). "¿Funciona realmente una pila de limón?" . Libro de la feria de ciencias Mythbusters . Escolar. págs. 104-108. ISBN 9780545237451. Consultado el 7 de octubre de 2012 . Solo vista previa en línea.
enlaces externos
- Video de la batería de limón . Genial y divertido video animado que explica con gran detalle cómo funciona una batería de limón desde el interior.
- Video de batería naranja . La batería naranja alimenta un reloj digital económico.
- Video de la batería de papa en YouTube . Tres células de patata en serie alimentan una calculadora.