reacción química de la batería de plomo-ácido
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Reacción química de la batería de plomo

Principios de funcionamiento y reacciones de una batería de plomo-ácido

Todas las baterías son sistemas electroquímicos que funcionan como fuente de energía eléctrica. Cada sistema tiene 2 electrodos (positivo y negativo), electrolito y separador. La mayoría de los sistemas electroquímicos tienen un óxido metálico o el propio oxígeno como positivo y un metal como negativo. Los sistemas pueden clasificarse además en baterías primarias y secundarias. Las baterías primarias son de un solo uso, mientras que las secundarias pueden descargarse y recargarse varias veces.

En la siguiente tabla se recogen algunas de las baterías secundarias comercialmente establecidas y con éxito:

Sistema electroquímico Electrodo positivo Negativo Electrolito Observaciones
Batería de plomo-ácido Peróxido de plomo PBO2 Plomo metálico en forma esponjosa Ácido sulfúrico diluido Electrolito utilizado en las reacciones + iones electrónicos conductores
Batería de iones de litio Litio con óxido de cobalto, níquel, manganeso, hierro Grafito, silicio con litio ligado (intercalado) Mezcla de disolventes orgánicos para sales de litio Electrolito para conducir iones de litio entre 2 electrodos - No hay reacciones químicas
Níquel Cadmio Oxihidróxido de níquel Ni(O) OH Cadmio metálico Hidróxido de potasio diluido Electrolito sólo para conducir iones electrónicos
Hidruro metálico de níquel Oxihidróxido de níquel Ni(O) OH Hidrógeno absorbido en una aleación metálica Hidróxido de potasio diluido Electrolito sólo para conducir iones electrónicos

Reacción química de la batería de plomo:

La batería de plomo-ácido tiene 3 componentes principales de funcionamiento:

  1. El dióxido de plomo (PbO₂) forma el electrodo positivo poroso.
  2. El plomo en estado esponjoso forma el electrodo negativo poroso.
  3. El electrolito es ácido sulfúrico diluido de densidad variable entre 1,200 y 1,280 de peso específico. En las baterías VRLA el volumen de ácido es bajo. Por lo tanto, se suele utilizar una gravedad específica del ácido más alta, como 1,300 -1,320, para alcanzar la capacidad diseñada.

Los electrodos se hacen porosos utilizando aditivos especiales durante la fabricación, para garantizar que las reacciones se produzcan en toda la placa de la batería. El separador de la batería (un no conductor) ayuda a aislar los 2 electrodos para que no se cortocircuiten, pero permite que los iones electrónicos pasen con una resistencia eléctrica mínima.

Cuando la batería se conecta a una carga (descarga), el átomo de plomo de la placa negativa se divide en iones de plomo (Pb²⁺) y 2 electrones. Los electrones que forman la unidad fundamental de la corriente se originan en la placa negativa y fluyen a través del terminal negativo hacia el circuito externo.

Después de pasar por la carga, los electrones llegan al terminal positivo. Los electrones convierten (reducen) el dióxido de plomo en iones de plomo.
Tanto en los electrodos positivos como en los negativos, los iones de plomo (Pb²⁺) reaccionan con el ácido sulfúrico para formar sulfato de plomo. (Teoría del doble sulfato de Gladstone). En otros sistemas electroquímicos, como las baterías de níquel-cadmio o las de iones de litio, los electrolitos no participan en las reacciones. Su función es únicamente conducir los iones entre los dos electrodos.

Reacciones durante la descarga - Reacción química de la batería de plomo

Reacciones durante la descarga (que es la función principal de una batería)

Pb (negativo)

Pb²⁺ + 2 e- ——————————1

PbO₂( Positivo) Pb⁴⁺ + 2 e-

Pb²⁺ —————————–2

Pb²⁺ + SO₄²- (del ácido)

PbSO₄ ( en ambos electrodos)——–3

Durante la carga de una batería de plomo-ácido descargada, las 3 reacciones tienen lugar en la dirección inversa, Lo anterior es la simplificación de las reacciones químicas y electroquímicas que tienen lugar en la batería de plomo-ácido, convirtiéndola en el sistema de batería RECARGABLE más fiable o sistema de batería SECUNDARIA.

¿Cuál es la diferencia entre batería primaria y secundaria? Mientras que las baterías primarias son de usar y tirar y no se pueden recargar; las secundarias, on la carga, se regeneran los 3 componentes: positivo, negativo y ácido.

Así se crea una célula/batería recargable o secundaria. De ahí el nombre de pila secundaria

Ciclo de oxígeno interno - Reacción química de la batería de plomo-ácido

Durante la carga de la batería VRLA:
En la placa positiva se desprende gas O2 y se producen protones y electrones.
2H2O → 4H+ + O2 ↑ + 4e- ……… Ec. 1

2Pb + O2 → 2PbO
2PbO + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
——————————————————
2Pb + O2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O + Calor ……… Ec. 2
—————————————————–
Pero, al tratarse de un proceso de carga, el sulfato de plomo así producido debe convertirse de nuevo en plomo; el ácido sulfúrico se genera por vía electroquímica al reaccionar con los protones (iones de hidrógeno) y los electrones resultantes de la descomposición del agua en las placas positivas cuando éstas se cargan.

2PbSO4 + 4H+ + 4e- → 2Pb + 2H2SO4 ……… Ec. 3

Reacciones de descarga y carga - Reacción química de la batería de plomo

Las reacciones de una pila o batería galvánica son específicas del sistema o de la química:

Por ejemplo, la pila de plomo:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 Descarga ↔ Carga 2PbSO4 + 2H2O E° = 2,04 V

En una célula de Ni-Cd

Cd + 2NiOOH + 2H2O Descarga ↔ Carga Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 E° = 1,32 V

En una célula de Zn-Cl2:

Zn + Cl2 Descarga ↔ Carga ZnCl2 E° = 2,12 V

En una célula Daniel (Se trata de una célula primaria; nótese la ausencia de flechas reversibles)

Zn + Cu2+ Descarga ↔ Carga Zn2+ + Cu(s) E° = 1,1 V

¿Qué ocurre durante las reacciones de descarga y carga dentro de una célula? Reacción química de la batería de plomo

Electrolito: 2H2SO4 = 2H+ + 2HSO4‾

Placa negativa: Pb° = Pb2+ HSO4 + 2e

Pb2+ + HSO4‾ = PbSO4 ↓ + H+

⇑ ⇓

Placa positiva: PbO2 = Pb4+ + 2O2-

Pb4+ + 2e = Pb2+

Pb2++ 3H+ + HSO4‾ +2O2- =PbSO4 ¯ ↓+ 2H2O

Al ser el ácido sulfúrico un electrolito fuerte, se disocia en forma de iones de hidrógeno e iones de bisulfato (también llamados iones de sulfato de hidrógeno).

reacción química de la batería de plomo-ácido

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