Celda voltaica con electrodos reciclados; una opción más allá de cobre y zinc



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CELDA VOLTAICA CON ELECTRODOS RECICLADOS; UNA OPCIÓN MÁS ALLÁ DE COBRE Y ZINC.

María del Carmen Benítez Herrera

María Cecilia Avendaño Zataraín

Escuela Nacional Preparatoria de la UNAM


d) Experimentos con enfoque Ciencia, tecnología, sociedad y su relación con:

ambiente, innovación y reciclado

RESUMEN

El siguiente trabajo tiene como objetivo construir una celda voltaica a partir de electrodos con material reciclado (latas) para la unidad de electroquímica de Química IV área 1. Se investigaron los posibles metales de uso común para ser utilizados como electrodos. Simultáneamente se investigó el fundamento teórico de una celda voltaica. Se construyeron diferentes celdas, en micro celda y en micro escala. Se decidió por la última, por los buenos resultados obtenidos (voltaje positivo y reacciones espontáneas visibles) para llevarla a cabo un grupo de 6° año del área de las Ciencias Físico- Matemáticas y de las Ingenierías. Finalmente se dan los resultados y las conclusiones de la práctica del grupo.



CELDA VOLTAICA CON ELECTRODOS RECICLADOS; UNA OPCIÓN MÁS ALLÁ DE COBRE Y ZINC.

Introducción

Este trabajo tiene como propósito la elaboración de una celda voltaica a partir de materiales reciclados, y aunado a ello hacer que los alumnos comprendan más fácilmente los conceptos y aplicaciones de la electroquímica.

Para poder cumplir con el propósito de este trabajo fue indispensable plantear una primera pregunta: ¿Qué conocimientos de electroquímica se necesitan conocer para elaborar una celda voltaica?, con ello se buscó reducir el amplio campo de la electroquímica a los conceptos principales para la elaboración de la celda voltaica.

Por otro lado fue necesario conocer y escoger los materiales adecuados para la elaboración de la celda voltaica, es por ello que se planteó una segunda pregunta: ¿Qué materiales son viables para ser utilizados como electrodos en la construcción una celda voltaica?, en base a estas dos preguntas es posible construir el desarrollo del marco teórico del presente trabajo, para posteriormente llevar dicha teoría a la realización del objetivo anteriormente mencionado.

Justificación del trabajo:

En la actualidad los electrodos más utilizados en la elaboración de celdas voltaicas son el cobre y el zinc. Sin embargo su alto costo y su difícil acceso los hace materiales poco viables para ser utilizados como electrodos en la elaboración de celdas voltaicas.

Aunado a lo anterior uno de los mayores problemas que aqueja no solo a nuestro país sino al mundo entero es la enorme cantidad de desechos inorgánicos que se genera día a día, es por ello que la razón por la cual se decidió utilizar electrodos reciclados, a partir de latas de aluminio y fierro, en la elaboración de esta celda voltaica es el enorme alcance que tenemos a ellos sin ningún costo, además de la recuperación de estos desechos para reutilizarlos y lograr con ello la posibilidad de una nueva alternativa para la disminución de los mismos en nuestro planeta.

Para poder cumplir con el objetivo de este trabajo resultó indispensable hacer investigaciones acerca de temas como electroquímica, celdas voltaicas y la composición de las latas de alimentos y bebidas. Dichos temas son presentados a continuación.



1.-La celda voltaica.

Uno de los temas de estudio de la electroquímica son las celdas Voltaicas o Galvánicas, sistemas en los que se produce electricidad como resultado de reacciones de óxido reducción que ocurren de forma espontánea, llamadas así en honor al conde Alessandro Volta (1745-1827) y a Luigi Galvani (1737-1827).

La primera celda de este tipo fue inventada cerca del año 1800 por Alessandro Volta, quien montó una pila que contenía pedazos de zinc y plata, separados por agua salada, detectando un choque eléctrico débil al tocar los extremos de la pila; demostrando posteriormente que también otros metales podrían ser utilizados para construir la celda. Así mismo Galvani observó que la corriente eléctrica de un generador de energía estática provocaba contracción en los músculos de la pata de una rana, llegando a la conclusión de que los músculos de la rana producían electricidad por sí solos.

Todas las pilas se caracterizan por tener dos polos: el cátodo, que es el polo negativo y actúa como receptor de electrones, y el ánodo, polo positivo que actúa como donador de los mismos. Este intercambio de electrones genera una fuerza electromotriz (FEM), es decir, la diferencia de energía potencial entre el ánodo y el cátodo de una celda, que se debe principalmente a lo que llamamos potencial de reducción y oxidación, siendo el primero el valor de la tendencia de un elemento a ganar electrones y considerando así al potencial de oxidación como la tendencia de un elemento a ceder electrones. Dicha FEM es medida en voltios.

En cada semicelda estará contenido un electrolito, es decir las sustancias que en disolución acuosa conducen la electricidad, y un electrodo, que es una placa de metal a través de la cual se conduce la corriente eléctrica. Cabe señalar que el electrodo que se oxida, es decir el ánodo, se colocará en la semicelda izquierda, y el electrodo que se reduce (cátodo) se colocará en la semicelda derecha.

Los electrones circulan por la pila generando una diferencia de potencial a través de un puente salino, un dispositivo que une a las dos semiceldas y que por lo general es un tubo de vidrio o un papel filtro lleno o empapado con un electrolito que comúnmente es yoduro de potasio o sulfato de sodio.



3.- Composición de las latas de alimentos y bebidas.

El enlatado de alimentos fue inventado hace unos 200 años. Las latas se hacían casi siempre de hojalata, que es acero recubierto con estaño. Desde hace ya un tiempo se ha empezado a usar también el aluminio por ser un material muy ligero y de difícil oxidación.

La hojalata es, como ya se ha dicho, el material más usado en la fabricación de latas para toda clase de alimentos. También se emplea en casi la mitad de las latas de bebidas. En términos sencillos, la hojalata es una lámina de acero recubierta por ambas caras con una fina capa de estaño, el cual es aplicado electrolíticamente.

La hojalata se empleó originalmente porque era fácil de soldar. De hecho, hoy en día, casi todas las latas de estaño presentan alguna soldadura. La hojalata es más resistente que el aluminio y las latas de estaño son relativamente baratas para producir en serie. El aluminio, además, no se puede soldar y se usa únicamente para latas sin ensambladura.

El aluminio es por todos los alimentos y bebidas, de ahí que todas las latas de aluminio tengan que estar protegidas por un lacado interior. Aunque la mayor parte de los alimentos están envasados en latas de estaño, alrededor de la mitad (55%) de las latas de bebida usadas en España son de aluminio. Incluso las latas de acero tienen tiradores de aluminio.

Como había sido señalado anteriormente el objetivo de este trabajo es construir una celda voltaica a partir de electrodos con material reciclado (latas) con una diferencia de potencial confiable y repetitivo, por tal motivo se eligió una de aluminio y una hojalata.



Metodología

Las investigaciones previas nos llevaron a utilizar materiales reciclados a partir de latas de alimentos y bebidas constituidas de fierro y aluminio respectivamente; las cuales se lijaron y se cortaron en laminillas, con el fin de tener dos electrodos (ánodo y cátodo) para las semiceldas.

Además de las laminillas se utilizaron dos electrolitos; sulfatos ferroso FeSO4 (0.5 M) y sulfato de aluminio Al2(SO4)3 (0.5 M), un puente salino hecho con papel filtro empapado en una disolución concentrada de sulfato de sodio Na2SO4 y un multímetro para medir la diferencia de potencial.

Con el propósito de obtener valores confiables la parte experimental se hizo en repetidas ocasiones y en diferentes condiciones. La primera prueba fue hecha por los cuatro integrantes del programa “Jóvenes hacia la Investigación en ciencias experimentales” primeramente calculando el valor teórico (condiciones estándar a 25 °C, 1 atm y concentración 1M) de la celda obteniendo un valor de 1.22 v y posteriormente llevando a cabo el experimento en una placa con micro celdas. Donde se tuvieron problemas en la manipulación de la celda por el tamaño de la misma. La segunda se realizó en micro escala por triplicado obteniendo buenos resultados. De esta manera se aplicó la práctica a un grupo de sexto año del área de ciencias Físico- Matemáticas y de las Ingenierías obteniendo casi los mismos datos.



Resultados:

Los resultados obtenidos por los once equipos formados del grupo fueron semejantes a los obtenidos previamente por el equipo de jóvenes. A continuación se muestran los resultados en la siguiente tabla:



Equipo.

Diferencia de potencial. (volts)

Equipo

Diferencia de potencial

1

0.4444

6

0.651

2

0.067

7

0.191

3

0.485

8

0.291

4

0.373

9

0.150

5

0.98

10

0.5860

6

1.82

11

0.455

Como se puede observar en la tabla anterior los valores obtenidos están por debajo del valor teórico, esto se debe en gran medida a que al calcular el valor teórico se están utilizando los potenciales de oxidación y reducción de los elementos en estado puro, condición que es muy difícil de conseguir, pues a pesar de que las laminillas se lijaron para reducir en la medida de lo posible la interferencia de algún elemento extraño en la reacción, aún existen partículas de otros elementos externos al fierro y aluminio en ellas. Por otro lado la concentración de las disoluciones electrolíticas fueron de 0.5 M a diferencia de los potenciales de reducción reportadas en las tablas, que están a 1M.

Conclusiones:

Los resultados obtenidos en la realización de este trabajo fueron bastante favorables pues a pesar de que el valor de la diferencia de potencial no es muy grande se puede decir que el objetivo se ha cumplido. Se obtuvo una FEM significativa al construir una celda voltaica a base de electrodos reciclados y gracias a la experimentación se adquirieron conocimientos de electroquímica de una manera didáctica y sencilla.

Por otro lado, la elaboración de esta celda permite darse cuenta de otra maravillosa aplicación del reciclaje. La cantidad de desechos de aluminio y fierro que se genera día a día, no solo en nuestro país si no en el mundo entero es enorme, es por eso que su reutilización es en más de un sentido una de las mejores acciones que podemos llevar a cabo para darle un respiro a nuestro planeta y comenzar a pensar en este tipo de alternativas para generar energía en un futuro no muy lejano, cuya existencia o destrucción está en nuestras manos.

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Latas ¿están hechas de acero? Un ejemplo de la utilidad de los materiales. Bloque1: Materiales de la química. Disponible en: latas_.pdf

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