Procesos Electroquímicos: Pilas, Corrosión y Recubrimientos Metálicos

Pilas

Dispositivo que genera energía eléctrica mediante un proceso químico transitorio, conocido como generador primario. Esta energía se obtiene a través de dos terminales llamados polos o bornes: uno positivo (+) o ánodo y otro negativo (-) o cátodo.

La estructura de una pila consiste en piezas de dos metales diferentes introducidas en un líquido conductor de electricidad o electrolito.

Funcionamiento: Es un proceso inverso al de la electrolisis. Los elementos están dispuestos de tal modo que la reacción química produce una diferencia de potencial entre los electrodos, suministrando corriente eléctrica.

Voltaje: Determinado por la naturaleza de las sustancias de los electrodos y electrolitos. El voltaje de una pila común es de 1.5V, con una resistencia interna de 0.35Ω.

Temperatura: Un sobrecalentamiento puede producir un pequeño aumento de tensión, mientras que temperaturas extremas pueden causar un mal funcionamiento o la detención de la pila.

Clasificación: Las más comunes incluyen la serie A (A, AA, AAA, AAAA), B, C, F, G, J, N, 3R12, 4R25 y sus variantes, PP3, PP9, y las baterías de linterna 996 y PC926.

Tipos de Pilas

Primarias:

Secas: Basadas en una reacción química irreversible, no recargables. Tienen un ciclo de vida definido.

Pila de zinc/carbono: Compuestas por zinc metálico, cloruro de amonio y dióxido de manganeso. Adecuadas para aparatos comunes de bajo consumo.

Pilas alcalinas: Utilizan hidróxido de potasio como electrolito, ofreciendo mayor duración. Son blindadas para evitar derrames.

Pila botón: De tamaño reducido, forma chata y redonda. Usadas en audífonos, marcapasos, relojes, etc. Su composición varía.

Pila de óxido mercúrico: Altamente tóxicas, deben manejarse con precaución.

Secundarias:

Ni/Cd: Formadas por hidróxido de níquel, hidróxido de potasio y cadmio metálico. Recargables hasta 1000 veces, duran décadas. No contienen mercurio.

Ni/MH: El cadmio es reemplazado por una aleación metálica en el ánodo. Cátodo de óxido de níquel y electrolito de hidróxido de potasio.

Ni/Fe: Permiten miles de ciclos, pero requieren mucha energía para la recarga y se recalientan.

Litio: Producen tres veces más energía que las alcalinas, con mayor voltaje inicial. Usadas en relojes, calculadoras y memorias de computadora.

Ácido/Plomo: Alta densidad energética, fácil recarga, alto voltaje (2.04V por celda).

Pilas y el Ambiente

Los componentes de las pilas pueden ser perjudiciales para el ambiente, causando contaminación química. Se comercializan cientos de miles de toneladas de pilas y acumuladores anualmente, conteniendo metales como mercurio, plomo, cadmio, cobre, zinc, manganeso y litio.

La eliminación inadecuada de estos productos contamina el suelo, agua y aire. El reciclaje permite recuperar metales valiosos como níquel, cobalto y plata.

Recomendaciones

• Nunca arrojar las pilas al fuego.
• Retirar las pilas descargadas del dispositivo.
• No mezclar pilas usadas con nuevas.
• Colocar las pilas en la dirección correcta.
• No dejar el dispositivo encendido con pilas descargadas.

Acumuladores de Plomo

Consisten en un recipiente con ácido sulfúrico como electrolito, donde se sumergen placas de dióxido de plomo (polo positivo) y plomo esponjoso (polo negativo), generando una diferencia de tensión de 2 voltios.

Durante la descarga, las placas se convierten en sulfato de plomo y la concentración del ácido disminuye. En la carga, se forma dióxido de plomo. Aunque químicamente podrían ser eternos, los efectos colaterales limitan su vida a unos 1600 ciclos de carga.

Reacciones químicas:

Ánodo: Pb + H₂SO₄ → PbSO₄ + 2H⁺ + 2e^-

Cátodo: PbO₂ + H₂SO₄ + 2H⁺ + 2e^- → PbSO₄ + 2H₂O

Global: Pb + 2H₂SO₄ + PbO₂ → 2PbSO₄ + 2H₂O

Factores a Considerar

Tamaño de las placas: Placas muy grandes son pesadas y pueden romperse.

Cantidad de placas: Generalmente 7 placas positivas y 8 negativas.

Distancia entre placas: Separadores de goma, plástico o madera evitan el contacto. Una distancia excesiva aumenta el tamaño del acumulador, mientras que una distancia muy corta puede causar cortocircuitos.

Concentración del ácido: Un ácido muy concentrado puede dañar las placas, mientras que uno muy diluido puede congelarse.

Capacidad: Típicamente 35A/h.

Corrosión

Deterioro de un material metálico debido a su entorno. Ejemplos comunes son la herrumbre del hierro y la pátina verde del cobre. Es un problema industrial significativo que puede causar accidentes y costos elevados.

Factores que Influyen en la Corrosión

1. Material utilizado: Escoger materiales resistentes al ambiente específico.
2. Diseño de la pieza: Evitar zonas de confinamiento.
3. Ambiente: En ambientes cerrados, se pueden controlar parámetros como temperatura y presión. En ambientes abiertos, considerar:

• Atmósfera: Rural, industrial o marina.
• Agua: Mar, potable o dulce.
• Suelo: Corrientes subterráneas.

Tipos de Corrosión

1. Corrosión uniforme: Afecta toda la superficie del metal.
2. Corrosión galvánica: Contacto entre metales diferentes.
3. Corrosión por picaduras: Formación de agujeros.
4. Corrosión intergranular: En los límites del grano.
5. Corrosión por esfuerzo: Tensiones internas por deformación.

Protección contra la Corrosión

• Uso de materiales de alta pureza.
• Adición de elementos en aleaciones.
• Tratamientos térmicos especiales.
• Uso de inhibidores.
• Aislamiento del metal con grasa o pintura.
• Protección catódica (ej. cinc o magnesio).

Cataforesis

Método de aplicación de pintura mediante corriente eléctrica. Las partículas de pintura son atraídas a la pieza metálica sumergida en un baño de pintura. Al alcanzar el espesor deseado, la capa aísla la pieza y el proceso se detiene.

Ventajas: Película uniforme, alta protección anticorrosiva, resistencia a deformaciones, bajo costo y ecológico.

Galvanoplastia

: proceso por el cual se deposita una capa de metal sobre una base generalmente metálica. Se galvanizan para obtener una superficie dura y un acabado atractivo. Se utilizan: cadmio, cinc, cromo, cobre, oro, níquel, plata y estaño. Proceso basado en el traslado de iones metálicos desde un ánodo a un cátodo en un medio liquido compuesto por sales metálicas.

El objeto que va a ser cubierto actúa como cátodo en una cuba electrolítica que contiene una sal del metal recubierto, y se conecta a un terminal negativo de una fuente de electricidad externa. Otro conductor se conecta al terminal positivo de la fuente como ánodo. Es necesaria una corriente continua de bajo voltaje.

Los materiales no conductores pueden ser galvanizados si se cubren de un material conductor.

Factores: pulir bien la pieza y pulir bien a fondo, eliminar irregularidades y asegurar que la textura es de buena calidad, controlar la densidad de la intensidad de corriente, la concentración de la solución y la temperatura y el grosor de la capa depende del tiempo que pase la corriente y de la intensidad aplicada

Cromado: el cromo es un material muy difícil de trabajar en frio, en caliente igual de difícil porque se oxida. Por estas razones el cromo no se puede emplear como metal puro salvo en ocasiones muy raras. Es aleado con el hierro porque mejora su resistencia a la corrosión y su dureza. Cuando es necesario aplicarlo se emplean básicamente el recubrimiento electrolítico. Este procedimiento es usado en la industria para proteger metales de la corrosión y mejora el aspecto. Se emplea para restaurar piezas metálicas.

El llamado cromo duro son depósitos electrolíticos de espesores grandes que se depositan en piezas que deben soportar grandes esfuerzos de desgaste.

El cromo brillante o decorativo son finas capas de cromo que se depositan sobre cobre o níquel para mejorar el aspecto.

Procedimiento: se disuelve acido crómico en agua y se añade acido sulfúrico. Se emplea como ánodo un electrodo de plomo o grafito. El cromo que se deposita en el cátodo procede del acido crómico disuelto y no del ánodo. Con el uso el cromo se va agotando y hay que reponerlo añadiendo mas acido crómico.

Niquelado: mate: se realiza para dar capas gruesas de níquel sobre hierro, cobre, latón y otros metales, es un baño muy concentrado que permite trabajar con corrientes altas. Los componentes que lo constituyen son: sulfato de níquel, cloruro de níquel, acido bórico y humectante.

Brillante: es un baño de composición idéntica a la anterior al que se le añade un abrillantador (sacarina). Se emplea como ánodo de níquel se va disolviendo conforme se va depositando níquel en el cátodo.

Cincado: recubrimiento superficial que mejora el aspecto visual de la pieza.    

Cincado blanco: preparación química de la pieza con desengrase y decapado pasando los diferentes baños del cincado y después un baño electrolítico. Para una mayor anticorrosión se aplica un acromatizado que termi8na además el aspecto final de la pieza.

El cinc protege a los metales por dos razones. La primera los átomos del cinc reaccionan con las moléculas del aire formando una fina capa protectora que evita la uterior corrosión. Segunda reaccionan más fácilmente con sustancias tales como el oxigeno que podrían corroer el metal

Cincado normal: buena resistencia a la corrosión

Cincado negro: su resistencia es doble a la del cincado normal

Cincado bicromato: su resistencia a la corrosión es tres veces superior

Cincado verde oliva: su resistencia es el dos veces superior al cincado normal

Plateado: los depósitos de plata obtenidos con este proceso son de gran pureza, y elevada dureza, combinada con ductilidad. Esto hace apto este proceso para piezas  enfocadas a todo tipo de aplicaciones.

Baño de cadmio: es el baño electrolítico en el cual el cadmio es el metal recubierto. Puede depositarse electrolíticamente en los metales para recubrirlos, principalmente en el hierro o el acero, forma capas químicamente resistentes.