INTRODUCCION

En la vida del ser humano existen diversas formas de presenciar las consecuencias de un tipo de reacciones llamadas las de óxido-reducción. A pesar de que nosotros no las vemos directamente si somos dependientes de muchos de los elementos y tecnologías que funcionan a partir de ellas y presenciamos constantemente los procesos que ella involucra.

Aquí encontramos la existencia de pilas y acumuladores, elementos que tienen la característica de hacer funcionar pequeños o grandes artefactos dependiendo de sus capacidades y a sus características propias, como lo son el ser recargables en el caso de los acumuladores o pilas secundarias, o no serlo como es el caso de las pilas primarias.
Además los procesos existentes en una reacción redox son de gran importancia dentro de lo que es la existencia de muchas personas, debido a que gracias a su aplicación en ramas como la medicina o minería, se puede mejorar la calidad de vida de cada uno.

También es trascendental mencionar procesos como lo son la corrosión que es producto de reacciones de este tipo pero solo logramos ver sus consecuencias que no son del todo buenas, y que si no existieran anticorrosivos sería muchas veces de gran peligro para todos.

Es por esto que a continuación se desarrollará el tema que concierne a pilas, acumuladores, corrosión, anticorrosión, procesos electrolíticos en minería y usos de las reacciones redox en la medicina.

• Pilas y Baterias

Diferencias entre pilas y acumuladores

¿Qué es una pila?

Se denomina pila o elemento galvánico a un sistema en el que la energía química de una reacción química es transformada en energía eléctrica. Una pila galvánica es un sistema que permite obtener energía a partir de una reacción llamada oxidorreducción (redox). Ésta es la resultante de dos reacciones parciales llamadas hemirreacciones), en las cuales, un elemento químico es elevado a un estado de valencia superior (hemirreacción de oxidación), a la vez que otro elemento químico es reducido a un estado de valencia inferior (hemirreacción de reducción). Estos cambios de valencia implican transferencia de electrones del elemento que se oxida al elemento que se reduce.

¿Cómo funciona una pila?

Las pilas son el proceso inverso de la electrólisis, en ellas la reacción química que se produce entre sus constituyentes cuando se cierra el circuito genera una diferencia de potencial en los electrodos, de modo que se pueda suministrar corriente eléctrica a una carga externa. El funcionamiento de una pila se basa en el potencial de contacto entre un metal y un electrolito, esto es, el potencial que se produce al poner en contacto un metal con un líquido. Así, al introducir una placa de zinc en agua, el zinc se disuelve en forma de iones Zn+² que pasan al líquido; esta emisión de iones hace que la placa adquiera una carga negativa respecto al líquido, pues tiene ahora un exceso de electrones creándose entre ambos una diferencia de potencial. Los iones que están en el líquido ejercen una presión que se opone a la continuación de la disolución, la cual se detendrá cuando se alcance un valor determinado, llamado tensión de disolución. Cuando se cierra el circuito externo, los electrones del zinc retornan a través de él al polo opuesto, mientras que en el interior del electrolito se reanuda la corriente de iones que circula en sentido contrario.

Características de las pilas

Capacidad total

La capacidad total de una pila se mide en amperios x hora (A·h); es el número máximo de amperios que el elemento puede suministrar en una hora. Este valor depende de intensidad y la temperatura. Cuando se extrae una gran corriente de manera continua, la pila entrega menos potencia total que si la carga es más suave. Por ejemplo, una pila de tipo D tiene una capacidad de entre 9 Ah mientras que los correspondientes valores para una de carbón-zinc son 1 y 7,5, respectivamente.

Dependencia de la temperatura

Como todas las reacciones químicas, las que se producen dentro de una pila son sensibles a la temperatura. Por lo tanto, generalmente al aumentar la temperatura se aceleran estas reacciones, lo que se traduce en un aumento de la tensión. Así como el alza de temperatura afecta, también la baja de esta produce cambios en las reacciones, llegando a dejar de funcionar o hacerlo defectuosamente si se produce congelación.

Tipos de pilas

Generalmente las pilas se pueden dividir en dos grandes tipos, las pilas primarias y las pilas secundarias. Las pilas primarias son aquellas que se agotan y son desechadas, las secundarias son las que pueden recargarse, es decir acumuladores o baterías.

Pilas primarias o no recargables :

Pilas ácidas, pilas salinas, tipo Leclanché, de Zinc/carbono (Zn/C), o Pilas secas
Basadas en la oxidación del Zinc en un medio levemente ácido, están compuestas por zinc metálico, cloruro de amonio y dióxido de manganeso. Sirven para aparatos sencillos y de poco consumo.

Pilas alcalinas o de Zinc / dióxido de manganeso (Zn/MnO2)
El electrolito utilizado en este caso es hidróxido de potasio y el Zinc está en polvo. Son las de larga duración. Casi todas vienen recubiertas, lo que dificulta el derramamiento de los componentes.

Pilas de litio
Producen tres veces más energía que las pilas alcalinas, considerando tamaños equivalentes, y poseen también mayor voltaje inicial que éstas (3 voltios). Se utilizan en relojes, calculadoras, flashes de cámaras fotográficas y memorias de computadoras.

Pilas de monofluoruro de litio-carbono
Estas son pilas de larga vida, alta densidad energética, buena adaptación a temperaturas y con un voltaje de 3.2 volts.

Pilas de Litio-thionyl
Este tipo de pila provee la más alta densidad energética disponible comercialmente. Funcionan adecuadamente, ya sea a temperatura ambiente o hasta -54 grados Celsius, por muy debajo del punto donde sistemas líquidos dejan de funcionar. Se usa en equipos militares, vehículos aerospaciales.

Pilas de dióxido de litio-sulfuro
El cátodo consiste en un gas bajo presión con otro químico como electrodo salino. Este tipo de pila ha sido extensivamente usado en los sistemas de energía de emergencia de muchos aviones entre otros usos.

Pilas de óxido mercúrico
Son las más tóxicas, contienen un 30 % aprox. de mercurio por lo que deben manipularse con precaución.

Pilas de óxido de plata
Son de tamaño pequeño y contienen 1 % de mercurio aproximadamente por lo que tienen efectos tóxicos sobre el ambiente.

Pilas de Zinc-aire
Tiene gran cantidad de agujeros pequeños en su superficie. Tienen mucha capacidad y una vez en funcionamiento su producción de electricidad es continua.

Pilas botón de litio y dióxido de manganeso

Tienen de 2 a 4 veces más potencia que las alcalinas de manganeso y son pilas ligeras.

¿Qué es un acumulador?

Se le llama batería o acumulador, al dispositivo que almacena energía eléctrica usando procedimientos electroquímicos y que posteriormente la devuelve casi en su totalidad; este ciclo puede repetirse por un determinado número de veces. Se trata de un generador eléctrico secundario, es decir, de un generador que no puede funcionar sin que se le haya suministrado electricidad previamente mediante lo que se denomina proceso de carga.

¿Cómo funciona un acumulador?

El funcionamiento de un acumulador está basado esencialmente en algún tipo de proceso reversible. En el caso de los acumuladores el cierre del circuito externo se genera durante el proceso de descarga, y la aplicación de una corriente, igualmente externa, durante el de carga.Un acumulador es así un dispositivo en el que la polarización se lleva a sus límites alcanzables y consta en general de dos electrodos, del mismo o de distinto material, sumergidos en un electrolito.

Tipos de acumuladores

Acumulador de plomo
Está constituido por dos electrodos de plomo que, cuando el aparato está descargado, se encuentra en forma de sulfato de plomo incrustado en una matriz de plomo metálico; el electrolito es una disolución de ácido sulfúrico. Este tipo de acumulador se utiliza en automóviles.

Acumulador plomo/ácido
Está formado por pilas individualmente constituidas por un ánodo de plomo, un cátodo de óxido de plomo y ácido sulfúrico como medio electrolítico. No deben ser descargadas totalmente. Normalmente utilizadas en automóviles.

Acumuladores herméticos de plomo
Son de bajo peso y de tamaño pequeño. Son utilizados para el arranque de pequeñas máquinas.

Acumulador alcalino
También denominada de ferroníquel; sus electrodos son láminas de acero en forma de rejilla con panales rellenos de óxido niqueloso, que constituyen el electrodo positivo, y de óxido ferroso, el negativo, estando formado el electrolito por una disolución de potasa cáustica. Durante la carga se produce un proceso de oxidación anódica y otro de reducción catódica, transformándose el óxido niqueloso en niquélico y el óxido ferroso en hierro metálico. Esta reacción se produce en sentido inverso durante la descarga. Se utilizan para aparatos complejos y de elevado consumo energético.

Acumuladores Níquel-Hidruro
Utilizan un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de una aleación de metal-hidruro. Cada célula de Ni-H puede proporcionar un voltaje de 1,2 V. Este tipo de baterías se encuentran afectadas por el llamado efecto memoria, en el que en cada recarga se limita el voltaje o la capacidad (a causa de un tiempo largo, una alta temperatura, o una corriente elevada), imposibilitando el uso de toda su energía.

Acumuladores Níquel-Cadmio
Utilizan un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de un compuesto de cadmio. El electrolito es de hidróxido de potasio. Esta configuración de materiales permite recargar la batería una vez está agotada para su reutilización. Cada célula de NiCd puede proporcionar un voltaje de 1,2 V y una capacidad entre 0,5 y 2,3 Ah. Estos tienen que ser recargadas cada poco tiempo. También se ven afectadas por el efecto memoria.

Acumuladores Litio-Ion
Utilizan un ánodo de Litio y un cátodo de Ion. Su desarrollo es más reciente, y permite llegar a densidades del orden de 115 Wh/kg. Además, no sufren el efecto memoria. No se deben descargar del todo habitualmente pero sí una vez al mes. Las baterías de litio tienen la desventaja de que independientemente de su uso, sólo tienen una vida útil de 3 años. Se pueden cargar entre 300 y 600 veces, menos que una batería de Ni-Cd o Ni-H.

Acumuladores Polímero de Litio
Son una variación de las Baterías Litio-Ion (Li-ion). Sus características son muy similares pero permiten una mayor densidad de energía, así como una tasa de descarga bastante superior.

• Corrosión y anticorrosión

La Corrosión

La corrosión es un proceso natural, electroquímico, complejo y difícil de controlar, es la interacción de un metal con el medio que lo rodea produciendo un deterioro tanto físico como químico en donde se genera la perdida de masa y deterioro de sus propiedades en donde el material tiende a regresar a su estado primitivo o de mínima energía.

Tipos de corrosión

● Corrosión Seca
La corrosión se llama seca cuando el ataque se produce por reacción química, sin intervención de corriente eléctrica.

● Corrosión Húmeda
Se llama húmeda cuando es de naturaleza electroquímica, es decir que se caracteriza por la aparición de una corriente eléctrica dentro del medio corrosivo. La corrosión química se produce cuando un material se disuelve en un medio líquido corrosivo hasta que dicho material se consuma o se sature el líquido.

● Corrosión uniforme o generalizada
Reacción de corrosión que ocurre por igual en toda la superficie del material, causando un pérdida general del metal, haciendo que en este se produzca el adelgazamiento uniforme producto de la pérdida regular del metal superficial. Se subdivide en:

- Corrosión atmosférica : Es el tipo de corrosión que provoca mayor cantidad de daños en el material y en mayor proporción. Existen factores que influencian la corrosión atmosférica. Ellos son la Temperatura, la Presencia de Contaminantes en el Ambiente y la Humedad.

- Corrosión galvánica : Es una corrosión acelerada. Ocurre cuando metales diferentes se encuentran en contacto, ambos metales poseen potenciales eléctricos diferentes lo cual favorece la aparición de un metal como ánodo y otro como cátodo, a mayor diferencia de potencial el material más activo será el ánodo. Este par de metales constituye la llamada pila galvánica. En donde la especie que se oxida (ánodo) cede sus electrones y la especie que se reduce (cátodo) acepta los electrones.

● Corrosión localizada
Supone perdidas pequeñas de material, pero sus consecuencias son peores, es menos previsible y su evolución es mucho menos regular. Se subdivide en:

- Corrosión por picadura : Tipo de corrosión altamente localizada que frecuentemente se observa en superficies con poca o ninguna corrosión general.Las picaduras ocurren como un proceso de disolución local anódica donde la pérdida de metal es aumentada por la presencia de un ánodo pequeño y un cátodo grande. Las picaduras suelen ser de pequeño diámetro.

- Corrosión microbiológica : Es aquella corrosión en la cual organismos biológicos son la causa única de la falla o actúan como aceleradores del proceso corrosivo localizado.

● Corrosión por erosión
La corrosión por erosión está acelerada por el movimiento relativo de la superficie de metal y el medio. Se caracteriza por rascaduras en la superficie paralelas al movimiento.

● Corrosión ínter granular
Se refiere a la corrosión selectiva de los límites de grano en metales y aleaciones. Esto origina perdidas en la resistencia que desintegran los bordes de los granos.

● Corrosión por exfoliación
Corrosión en los límites de grano paralelos a la superficie del metal donde los productos de corrosión separan el metal. También llamada corrosión laminar.

● Corrosión por rozamiento
Ocurre cuando dos piezas de metal se deslizan un encima del otro y causan daños mecánicos a uno o a los dos elementos.

● Corrosión por oxígeno
Este tipo de corrosión ocurre generalmente en superficies expuestas al oxígeno diatómico disuelto en agua o al aire, se ve favorecido por altas temperaturas y presión elevada.

● Corrosión Electroquímica
La celda que causa este proceso está compuesta esencialmente por tres componentes: un ánodo, un cátodo y un electrolito. En el ánodo el metal corroído pasa a través del electrolito como iones cargados positivamente, liberando electrones que participan en la reacción catódica. Es por ello que la corriente de corrosión entre el ánodo y el cátodo consiste en electrones fluyendo dentro del metal y de iones fluyendo dentro del electrolito.

Factores que aumentan la corrosión

- pH de la solución.
- Agentes oxidantes
- Temperatura (> t° > corrosión)

Efectos de la corrosión

El efecto de la corrosión es, en el peor de los casos, la destrucción total de un componente, pero también da lugar a otros problemas, que por menos contundentes no dejan de ser perjudiciales y, en algunos casos, peligrosos para la seguridad de las personas. Por ejemplo, fugas en tanques o conducciones, pérdida de resistencia mecánica en estructuras o en partes de máquinas, desviaciones del funcionamiento normal de equipos y contaminación debida a las sustancias que se producen en la corrosión.

Los Anticorrosivos

Un material anticorrosivo es un material que sirve para proteger una superficie de un proceso de degradación llamado corrosión.
Existen situaciones en las cuales se requiere de una sustancia protectora para aplicarla en la superficie de ciertas estructuras y así protegerlas de agentes corrosivos. Algunas de estas sustancias protectoras son, por ejemplo:

- Recubrimientos de fibra de vidrio con resinas de alta resistencia química
Al aplicarlo en superficies las protegen de agentes de corrosión como los ácidos.

- Pinturas anticorrosivas
Existen distintos tipos, clasificados según la composición química de la pintura distinguiéndose pinturas: alquídicas, epóxicas, acrílicas, poliuretano, piroxilinas.

• Procesos electrolíticos

La electrólisis es una reacción redox no espontánea producida por medio de la corriente eléctrica que proviene de electrodos, descomponiendo los compuestos químicos y desasiéndolos en iones (la electrólisis es un proceso inverso al que ocurre en una pila eléctrica).

Algunos casos en los que se utilizan procesos electrolíticos son : la purificación de metales (el mineral metálico se disuelve en ácido, obteniéndose por electrólisis el metal puro) o la realización de recubrimientos metálicos protectores y/o embellecedores (niquelado, cromado, plateado, etc.).

En la minería también se usan procesos electrolíticos. Los procesos subsiguientes necesarios para llegar desde el mineral al metal puro requieren considerables cantidades de agua.

Desde las minas se extraen y procesan sulfitos y óxidos de cobre. Los sulfitos son concentrados en plantas de flotación, fundidos y sometidos a electrolisis, para fabricar cátodos de cobre metálico de alto grado de pureza.

Los trabajos en esta producción están dirigidos a aumentar la cosecha de cobre mediante el empleo de la tecnología de Grander (vitalización del agua). Los óxidos pasan por un proceso de lixiviación con ácido sulfúrico. Mediante disolventes la solución cáustica se reconcentra, y en la electrolisis el cobre se precipita formando cátodos. En este caso se pretende, gracias a la tecnología de Grander - vitalizando las soluciones en el proceso de lixiviación - aumentar el rendimiento de extracción de cobre de los minerales.

Otros procesos que utilizan electrólisis sirven para refinar el plomo, el estaño, el cobre, el oro y la plata. La ventaja de extraer o refinar metales por procesos electrolíticos es que el metal depositado es de gran pureza.

Corazón artificial y Marcapaso

• Uso de reacciones redox en la medicina

Algunas estructuras utilizadas en el campo de la medicina que dependen de reacciones de óxido reducción para su funcionamiento y que son indispensables para la vida del ser humano son las que encontramos a continuación :

Corazón artificial

El aparato, construido con titanio y poliuretano, tiene el tamaño de una naranja grande y pesa alrededor de un kilogramo. La energía llega hasta el dispositivo desde unas baterías situadas en el exterior (generalmente, el abdomen) del paciente. Con este método se evita la necesidad de poner cables que conecten el interior con el exterior del paciente, lo que siempre es una fuente de posibles infecciones y complicaciones. Los sistemas de recarga se alimentan enchufándolos a la red eléctrica, y permiten que el paciente salga a la calle, conduzca e incluso que se instale en su casa.

Marcapaso

Un marcapaso es un aparato electrónico que produce unos impulsos eléctricos, destinados a estimular el músculo cardíaco.

Estos impulsos eléctricos se conducen hasta el músculo del corazón por medio de un cable (o electrodo), de modo que el marcapaso mismo está colocado a poca profundidad por debajo de la piel, mientras que el electrodo penetra mucho más profundamente dentro del organismo, hasta el mismo corazón. El mecanismo se alimenta de la energía eléctrica de una o varias pilas

En las baterías y pilas de ambas estructuras se producen reacciones de óxido reducción (redox), en la que se transfieren electrones (la ganancia de electrones recibe el nombre de reducción y la pérdida de electrones oxidación). La especie que suministra electrones es el agente reductor (especie que se oxida) y la que los gana es el agente oxidante (especie que se reduce). Las reacciones redox transfieren electrones desde el agente reductor al oxidante. Las reacciones redox a través de celdas electroquímicas generan la energía necesaria para hacer funcionar al corazón artificial y al marcapaso.

Conclusión

Diariamente estamos en contacto con pilas a nuestro alrededor, ya sea en un control remoto, en una cámara fotográfica, incluso en un pendrive, pero ¿realmente sabemos que es un pila? ¿Es tan solo energía almacenada? O ¿es un conjunto de reacciones químicas que el hombre a podido recrear artificialmente para poder utilizar en aparatos tan importantes en nuestras vidas?. Dichas reacciones son las que pretendíamos analizar en este trabajo, y analizar las distintas características de las pilas tanto primarias como secundarias. Cómo el hombre ha podido crear distintos tipos de ellas para diferentes usos. Y cómo cambios en sus elementos pueden llegar a afectar tanto su funcionamiento. Al finalizar este informe podríamos decir en simples palabras que una pila es un sistema capaz de transformar energía química en eléctrica. Son movimientos de partículas cargadas eléctricamente que cambian de un elemento a otro y es la base de lo que llamamos reacciones de oxidación y reducción. Además no debemos olvidar que pila y acumulador no son lo mismo, debido a que un acumulador es un dispositivo que almacena energía eléctrica usando procedimientos electroquímicos y que posteriormente la devuelve casi en su totalidad.
Por lo tanto, debemos recalcar que existen pilas recargables y no recargables. Dependiendo de su composición encontramos diferentes tipos de pilas y acumuladores, de litio o de zinc o mercurio en fin, una amplia gamma de elementos que ofrecen distintos tipos de reacciones cada una de ellas con sus ventajas y desventajas que las diferencias.

Cabe destacar que dentro de las pilas y baterías las verdaderas generadoras de energía son las celdas electroquímicas, las cuales a través de reacciones de oxido reducción (redox) nos proveen de la fuente de energía que necesitamos cuando recurrimos al uso de pilas.

E allí la importancia de conocer dichos procesos que son de gran ayuda para el hombre en general. El ser capaces de encapsular este tipo de reacciones nos ha facilitado enormemente la vida.

Y debemos decir que estamos acostumbrados a ello, pero en algún momento alguien tuvo que ser capaz de esbozar dicha idea, de darse cuenta que estos movimientos de electrones podían realizarse en este tipo de invento, y es allí cuando debemos apreciar la genialidad del hombre. Cómo la química y física se unen para dar origen a nuevas posibilidades, quién se imaginó que a este gran descubrimiento le podríamos dar diversas utilizaciones, así como en el ámbito de la medicina, en la que con aparatos tan pequeños como marcapasos y corazones artificiales (gracias a las reacciones de oxidación y reducción que se producen en sus pilas y baterías que generan la energía necesaria para mantenerlos activados) es posible, mantener a una persona con vida o a prolongar su vida cuando ya se daba todo por perdido. U otros usos que se les da a las reacciones redox de gran importancia para la economía mundial, tales como en procesos industriales (por ejemplo minería), en la que a través de procesos electrolíticos obtenemos metales desde los minerales, facilitando la tarea.

Así como está la posibilidad de mejorar la vida y hacer más fácil y cómoda nuestra forma de vivir, también existen factores que alteran y afectan nuestra existencia y a ciertos elementos, como lo es el efecto de la corrosión que al ser un proceso electroquímico que produce tanto deterioro físico como químico, puede llegar a provocar la destrucción total de una estructura, pero también da lugar a otros problemas, de mayor relevancia, como lo es la contaminación ambiental por sustancias generadas en este proceso.
Así como el proceso de corrosión es un hecho que pone en evidencia un proceso natural, en el que se ven afectados materiales tanto física como químicamente tendiendo así regresar a su estado primitivo y conllevando a un mayor deterioro del mismo, también se hallan ciertas sustancias que permiten disminuir o evitar estas corrosiones, los anticorrosivos que son de real importancia dentro de nuestra vida, debido a que por ellos se evitan grandes efectos que podrían culminar a largo plazo en desastres.