La ecuación de Nernst y las pilas gastadas.

domingo, 18 de mayo de 2014

Esta entrada participa en la Edición Bromo del Carnaval de Química (Z=35), hospedado por el blog Ciencia para todos. Si te interesa, puedes esta entrada, o difundirla por las demás redes sociales.

Más de una vez he oído a alguien decir que las pilas pueden seguir funcionando un tiempo extra si se meten en el congelador un rato, hasta que estén frías. Y comprobándolo, puede dar la impresión de que es realmente así: las pilas que ya no consiguen hacer funcionar un determinado aparato pueden volver a la vida momentáneamente justo después de enfriarlas. Dejando impresiones a un lado, ¿es algo real, o estamos ante uno de tantos mitos? La respuesta, como otras muchas veces, la tiene la química. Y concretamente, un científico alemán del siglo pasado: Walther Nernst.


Battery Recycling, por Heather Kennedy. Fuente.

Antes de analizar el mito más a fondo, tenemos que responder a una pregunta: ¿qué es una pila? Todos estamos bastante familiarizados con ellas. También suelen sonar muchos términos que suelen acompañar a dicha palabra: pilas alcalinas, salinas, con o sin mercurio, etcétera. Vayamos primero a lo más elemental.

Una pila (o más propiamente, una celda galvánica o voltaica) es un dispositivo capaz de producir una corriente eléctrica continua, con un voltaje más o menos sostenido. Las pilas hacen reaccionar en su interior diversos elementos y compuestos químicos, proceso durante el cual se liberan momentáneamente electrones. Si conectamos algo a los dos electrodos de la pila, podemos conseguir que ese flujo de electrones recorra un circuito e interaccione con diversos componentes. En pocas palabras, conseguimos una corriente eléctrica continua. Pero, ¿qué compuestos y elementos se utilizan para fabricar pilas?


Parte de una barra de carbono extraída de una pila salina.

Existen muchísimas opciones, una cantidad ingente de combinaciones. Pero, dado que muchas veces no es rentable escoger ciertos materiales —es técnicamente posible crear una pila de oro y manganeso—, se utilizan los que se pueden conseguir más fácilmente. Dependiendo de los materiales usados daremos un nombre determinado a una pila. Están las pilas salinas (o de zinc-carbono), las pilas alcalinas (de zinc-dióxido de manganeso), las llamadas pilas de botón (que emplean mercurio y óxido de cobre), y muchas más. Pero no sólo nos limitamos a los pequeños cilindros que hacen que el mando a distancia funcione: esto también es una pila.

Batería de plomo y ácido sulfúrico para automóvil. Fuente.

Todas las pilas se basan en el mismo principio: producir reacciones químicas que liberen momentáneamente electrones. Y dependiendo de los elementos que utilicemos podremos obtener una corriente con características diferentes. Una de las magnitudes que podemos medir de la corriente eléctrica es su voltaje. Y aquí es donde entra en juego el científico que da título a la entrada. Nernst fue un científico alemán, como dije antes. Su interés abarcaba áreas tan dispares como la electroacústica y la astrofísica. Fue un científico brillante que hizo numerosas aportaciones a la ciencia. Desarrolló la tercera ley de la termodinámica (hallazgo que le valió un Nobel de Química, en 1920), e inventó numerosos instrumentos, como una microbalanza y un piano eléctrico. Hoy nos va a ser de utilidad una pequeña fórmula que él encontró: la ecuación de Nernst.

Al principio dije que una pila es capaz de suministrar un voltaje más o menos sostenido. Pero esto no es del todo cierto. Las pilas suministran un voltaje cada vez menor, hasta que, como solemos decir, 'se gastan'.

Voltaje que suministran pilas de diferentes marcas a medida que pasa el tiempo. Fuente.

Dejando a un lado que unas pilas sean capaces de suministrar más voltios durante más tiempo, queda claro que todas pasan por un proceso similar: comienzan dando el máximo potencial posible, para luego ir descendiendo (unas con más rapidez, otras con menos) hasta ser incapaces de suministrar potencial alguno.

¿Hay alguna forma de hacer que el voltaje suministrado por la pila suba, de alguna forma? Según el mito que comenté al principio, sí: metiendo la pila en el congelador un momento. ¿Qué sucedería, en ese caso?

La ecuación de Nernst puede darnos una respuesta. Antes de presentarla y asustar a nadie, es mejor explicar qué hace. Al principio dije que hay diferentes elementos que podemos seleccionar a la hora de crear una pila. Hay decenas y decenas de compuestos y elementos químicos disponibles para este uso, que podemos combinar como nos de la gana para producir corriente eléctrica. Casi, como nos de la gana. Tenemos que cumplir un requisito: que uno de los materiales libere electrones y que el otro los acepte. Y además, tienen que hacerlo gustosamente, pues lo que queremos es que sea algo espontáneo (¿qué sentido tendría usar pilas que necesitan energía para suministrar energía?). Dicho esto, existen unas tablas que contienen algo llamado potenciales estándar de reducción, como la de la izquierda. (Podéis encontrar una tabla muy cómoda de consultar en este enlace). Dichas tablas contienen decenas de reacciones químicas de las cuales nos podemos servir. Cada reacción contribuye de forma diferente al voltaje que suministra una pila. Y, dado que estamos tratando con decenas, incluso cientos de reacciones, sería un lío si cada una se llevara a cabo en unas condiciones diferentes. Por eso los químicos establecen que cada reacción se debe llevar a cabo bajo unas condiciones, las llamadas condiciones estándar. Pero sucede algo: no siempre podemos utilizar una batería en esas condiciones. Lo más normal es que no estemos a 25ºC, ni que la presión sea exactamente de 1 atmósfera. También es normal encontrar que los reactivos no estén presentes en la concentración que se supone estándar.

Y aquí es donde reside la ventaja que supone tener a mano la ecuación de Nernst. una resta, un par de multiplicaciones, y tenemos el voltaje que da una pila en las condiciones que nos de la real gana.

 Echémosle una ojeada y tratemos de entenderla:

 

E es el voltaje (el potencial) de la pila en las condiciones que nosotros establecemos. Lo siguiente, E0, es el potencial en condiciones estándar (que es el que podemos calcular mirando las tablas). A continuación encontramos un cociente que incluye magnitudes como la temperatura (T), el número de electrones que intervienen en la reacción (n), y dos constantes (R y F). Acabamos con el logaritmo de algo llamado cociente de reacción (Q, algo que depende de las concentraciones de los diferentes compuestos y elementos que componen la pila). Tan fácil como coger una calculadora.

Observemos más atentamente la ecuación. Vemos que en el cociente interviene la temperatura. A altas temperaturas, el cociente será mayor, y tendremos que restar más voltios al potencial estándar. Pero si, por el contrario, bajamos la temperatura, el cociente será más pequeño, así que no rebajaremos tanto el potencial de partida. Podría parecer que el mito es, por tanto, cierto. Pero hay que matizar un par de cosas.

Pila de cobre y zinc. Este es el aspecto de una celda galvánica sencilla. Fuente.

En primer lugar, las pilas comerciales son muy pequeñas. No tienen una masa muy grande, y además están cubiertas normalmente por un material que conduce bien el calor (una lámina metálica protectora, o directamente la capa de zinc con la que cuentan la mayoría de las pilas para uso doméstico). Por tanto, aunque las tengamos dos horas en el frigorífico, si las sacamos y la habitación está a 25ºC, no tardarán más que unos minutos en volver a esa temperatura. Además, las pilas no están hechas para trabajar a bajas temperaturas, y lo más probable es que la condensación que se producirá al sacarlas del congelador consigan corroer partes de vital importancia para su funcionamiento.

Dado que el mito está bastante extendido, algunas empresas del sector —como Duracell o Energizer— han tratado este tema para aclararlo de cara a los consumidores. En el FAQ sobre pilas no recargables de Energizer podemos leer lo siguiente:

1. ¿Es una buena idea guardar las pilas en el congelador o en el frigorífico?
No, almacenar las pilas en un frigorífico o en un congelador no es algo que sea necesario o que esté recomendado a día de hoy. Las bajas temperaturas pueden, de hecho, dañar las pilas si el agua procedente de la condensación corroe los electrodos […]. Para maximizar su rendimiento y su vida útil, guarde las baterías a temperatura ambiente (de 20ºC a 25ºC) con niveles de humedad moderados (del 35 al 65% de humedad relativa).

La conclusión es que, si bien podremos notar un ligero aumento del voltaje tras sacar una pila del frigorífico, lo más probable es que se acabe rompiendo por diversos motivos (sobre todo por la condensación). Además, la mejora duraría sólo unos minutos, y el cambio no sería muy espectacular (pues al bajar la temperatura bajará también la velocidad de las reacciones que tienen lugar dentro de la pila, lo cual frena el efecto hasta cierto punto). Por otra parte, por cuestiones de higiene y posibles roturas del dispositivo, no creo que merezca la pena.

Podemos ir acabando, por tanto. ¡Un saludo!

Fuentes

-Potenciales estándar de reducción a 298,15 K [enlace]
-Wikipedia: Walther Nernst [link]
-Are Expensive Batteries Worth the Extra Cost? [link]
-Energizer® Non-Rechargeable Batteries: FAQ [link]

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