electroquímica.
Acción electroquímica de la batería de plomo-ácido
Una batería de plomo-ácido completamente cargada consta de dióxido de plomo (PbO2) como electrodos positivos, plomo poroso (Pb) como electrodos negativos y ácido sulfúrico diluido (H2SO4) mezclado con agua (H2O). El electrolito se diluye a una densidad relativa de 1,28. El plomo sirve como material activo, exhibiendo diferentes valencias en sus dos formas. En consecuencia, el número de electrones en la capa externa del plomo puro difiere cuando se combina con oxígeno en un compuesto.
El dióxido de plomo, con una valencia de cuatro (faltan cuatro electrones), se utiliza como electrodo positivo. Como se explicó anteriormente, cuando el ácido sulfúrico se disuelve en agua, se disocia en iones cargados: H+ (iones de hidrógeno), H3O+ (iones hidronio) y SO4- - (iones sulfato). La carga total del electrolito parece neutral desde el exterior debido a la cancelación de estas cargas. La división del electrolito en estos iones permite el flujo de corriente de carga o descarga a través del líquido.
El voltaje de una celda se origina a partir del movimiento de iones, partículas cargadas, desde los electrodos hacia la solución bajo presión de la solución. Los átomos de plomo liberan dos átomos cargados positivamente, que han cedido dos electrones, en el líquido. En consecuencia, el electrodo acumula un exceso de electrones, adquiriendo una polaridad negativa con respecto al electrolito. Cuando se sumerge otro electrodo en el electrolito, se desarrollan diferentes potenciales en los dos electrodos, lo que resulta en una diferencia de potencial entre ellos. Una batería de plomo-ácido típicamente mantiene una diferencia de potencial nominal de 2 V. Esta presión eléctrica entre las placas establece un equilibrio dentro del electrolito. Las cargas negativas en una placa ejercen una fuerza atractiva sobre los iones positivos en la solución, igual en magnitud a la presión de la solución, manteniendo así el equilibrio.
Al conectar un circuito externo a la celda, la presión de la solución y la fuerza atractiva se ven interrumpidas. Esto permite que partículas cargadas adicionales pasen a través del electrolito. Sin embargo, este proceso ocurre solo si el voltaje externo supera la tensión eléctrica dentro de la celda, lo que se conoce como voltaje de carga. El voltaje de carga facilita el paso de partículas cargadas, permitiendo el proceso de carga.
Durante la carga o descarga de una celda de plomo-ácido, ocurren transformaciones químicas significativas, que se pueden ver como dos reacciones distintas, que tienen lugar en las placas positivas y negativas. La reacción del electrodo en la placa positiva involucra la combinación de las ecuaciones (a) y (b).
(a) PbO2 + 4H+ + 2e- --> Pb++ + 2H2O
En esta reacción, el peróxido de plomo interactúa con los iones de hidrógeno disociados para formar plomo y agua.
(b) Pb++ + SO4-- --> PbSO4
Los iones de plomo ahora tienden a combinarse con los iones de sulfato del electrolito, lo que resulta en la formación de sulfato de plomo. En consecuencia, la reacción global en el polo positivo es:
(c) (a + b) PbO2 + 4H+ + SO4- - + 2e- --> PbSO4 + 2H2O
Esta reacción implica la producción de agua (a partir de la ecuación a) y la deposición de sulfato de plomo (a partir de la ecuación b), acompañada del consumo de ácido sulfúrico.
En el polo negativo, la reacción del electrodo es la siguiente:
(d) Pb -> Pb++ + 2e-
En este proceso, el plomo neutro pierde dos electrones negativos en la solución, adquiriendo una carga positiva.
(e) Pb++ + SO4- - --> PbSO4
Los iones de plomo cargados positivamente atraen a los iones de sulfato cargados negativamente de la solución, lo que resulta en la formación de sulfato de plomo. La reacción global en el polo negativo se puede expresar como:
(f) (d + e) Pb + SO4- - --> PbSO4 + 2e-
Esta reacción implica el consumo de ácido sulfúrico y la producción de agua a medida que la batería se descarga.
Cuando la batería se está cargando, el proceso anterior se invierte. Las reacciones involucradas en el proceso de carga son las siguientes:
La reacción de carga en el electrodo negativo:
(g) PbSO4 + 2e- + 2H+ -> Pb + H2SO4
Los electrones del circuito externo (2e-) se combinan con los iones de hidrógeno en la solución (2H+), lo que resulta en la formación de ácido sulfúrico a medida que la placa tiende hacia el plomo.
La reacción en el polo positivo es:
(h) PbSO4 - 2e- + 2 H2O -> PbO2 + H2SO4 + 2H+
Los electrones liberados al circuito externo (2e-) liberan iones de hidrógeno en la solución (2H+), lo que permite que la placa positiva transite hacia el peróxido de plomo y aumente la concentración de ácido sulfúrico en el electrolito.
La reacción química neta global, que abarca los procesos de descarga y carga, se puede resumir como:
(i) (c + f or g + h) PbO2 + 2H2SO4 + Pb + 2PbSO4 + 2H2O
Esta reacción química reversible, que representa el ciclo de carga y descarga de la celda de plomo-ácido, ilustra el proceso completo. Muestra la transición desde el estado cargado (en el lado izquierdo de la reacción) hasta el estado descargado (en el lado derecho).
Otra reacción significativa en una batería es el fenómeno de formación de gases que ocurre una vez que la batería alcanza su estado completamente cargado. En este punto, cuando las placas de la batería se han transformado en plomo puro y peróxido de plomo, la fuente eléctrica externa desencadena la descomposición del agua en el electrolito. El voltaje de formación de gases para una batería de plomo-ácido típicamente oscila alrededor de 2,4 V. Este proceso de formación de gases conduce a la liberación de hidrógeno y oxígeno, lo que resulta en la pérdida de agua (H2O) y un aumento indeseable en la densidad del ácido electrolítico.
Como antes, consideremos por separado las reacciones que ocurren en cada polo de la batería.
En la placa positiva:
(j) 2H2O - 4e- --> O2 + 4H+
En la placa negativa:
(k)4H+ + 4e- -->2H2
El resultado general de la reacción se obtiene sumando estas dos ecuaciones:
(l) (j + k) 2H2O --> O2 + 2H2
Es aceptable que ocurra formación de gases durante un breve período para asegurar la conversión completa del sulfato de plomo en plomo o peróxido de plomo. Las rejillas dentro de una batería contribuyen al fenómeno de formación de gases. Si bien las baterías selladas enfrentan este desafío en mayor medida, se ha mitigado mediante el uso de plomo-calcio como material de rejilla en lugar del tradicional plomo-antimonio.
El voltaje de una celda y, en consecuencia, de toda la batería dependen en gran medida de la concentración de ácido en el electrolito, siendo la temperatura también un factor significativo. Este valor se puede calcular utilizando la tensión eléctrica promedio de las placas y la concentración de iones en la solución. La siguiente tabla proporciona los resultados calculados para estos parámetros a una temperatura de 27 °C. Como guía general, el voltaje de la celda es aproximadamente 0,84 más el valor de densidad relativa.
Tabla: Factores que afectan el voltaje de una celda de plomo-ácido |
Densidad relativa del electrolito |
Voltaje de la celda (V) |
Densidad del ácido (g/ml) |
Voltaje de la celda (V) |
1.28 |
2.12 |
1.210 |
2.07 |
1.27 |
2.11 |
1.205 |
2.06 |
1.26 |
2.10 |
1.200 |
2.05 |
1.25 |
2.09 |
1.195 |
2.04 |
1.24 |
2.08 |
1.190 |
2.03 |
1.23 |
2.07 |
1.185 |
2.02 |
1.22 |
2.06 |
1.180 |
2.01 |
1.21 |
2.05 |
1.175 |
2.00 |
Es importante tener en cuenta que estas reacciones y parámetros son aplicables a las baterías de plomo-ácido convencionales y pueden variar ligeramente en otros tipos de baterías, como las baterías de gel o las baterías de plomo-ácido selladas sin mantenimiento. |