La pila voltaica fue la primera batería eléctrica que podía proporcionar corriente eléctrica de forma continua a un circuito. Fue inventado por el químico italiano Alessandro Volta , quien publicó sus experimentos en 1799. Su invención se remonta a una discusión entre Volta y Luigi Galvani , el científico italiano compañero de Volta que había realizado experimentos con ancas de rana. [1] La pila voltaica permitió luego una rápida serie de otros descubrimientos, incluida la descomposición eléctrica ( electrólisis ) del agua en oxígeno e hidrógeno por William Nicholson y Anthony Carlisle (1800) y el descubrimiento o aislamiento de los elementos químicos sodio (1807), potasio (1807), calcio (1808), boro (1808), bario (1808), estroncio (1808) y magnesio (1808) por Humphry Davy . [2] [3]
Toda la industria eléctrica del siglo XIX fue alimentada por baterías relacionadas con Volta (por ejemplo, la celda Daniell y la celda Grove ) hasta la llegada de la dinamo (el generador eléctrico) en la década de 1870.
El invento de Volta se basó en el descubrimiento de Luigi Galvani en 1780 de cómo un circuito de dos metales y una anca de rana puede hacer que la anca de rana responda. Volta demostró en 1794 que cuando dos metales y una tela o cartón empapados en salmuera se colocan en un circuito, se produce una corriente eléctrica. En 1800, Volta apiló varios pares de discos ( electrodos ) alternados de cobre (o plata ) y zinc separados por tela o cartón empapados en salmuera para aumentar la fuerza electromotriz total. [4] Cuando los contactos superior e inferior estaban conectados por un cable, una corriente eléctrica fluía a través de la pila voltaica y el cable de conexión. La pila voltaica, junto con muchos instrumentos científicos que pertenecieron a Alessandro Volta , se conservan en el Museo de Historia Universitaria de la Universidad de Pavía , donde Volta enseñó de 1778 a 1819. [5]
La pila voltaica fue creada en 1800 por Alessandro Volta y fue la primera batería "verdadera" que emitía carga continua.
El 20 de marzo de 1800, Alessandro Volta escribió a la Royal Society de Londres para describir la técnica para producir corriente eléctrica utilizando su dispositivo. [6] Al conocer la pila voltaica, William Nicholson y Anthony Carlisle la utilizaron para descubrir la electrólisis del agua. Humphry Davy demostró que la fuerza electromotriz , que impulsa la corriente eléctrica a través de un circuito que contiene una sola celda voltaica, era causada por una reacción química, no por la diferencia de voltaje entre los dos metales. También utilizó la pila voltaica para descomponer sustancias químicas y producir nuevas sustancias químicas. William Hyde Wollaston demostró que la electricidad procedente de pilotes voltaicos tenía efectos idénticos a los de la electricidad producida por fricción . En 1802 Vasily Petrov utilizó pilas voltaicas en el descubrimiento e investigación de los efectos del arco eléctrico .
Humphry Davy y Andrew Crosse estuvieron entre los primeros en desarrollar grandes pilas voltaicas. [7] Davy utilizó una pila de 2000 pares hecha para la Royal Institution en 1808 para demostrar la descarga de arco de carbono [8] y aislar cinco nuevos elementos: bario, calcio, boro, estroncio y magnesio. [9]
Debido a que Volta creía que la fuerza electromotriz se producía en el contacto entre los dos metales, los pilotes de Volta tenían un diseño diferente al diseño moderno ilustrado en esta página. Sus pilas tenían un disco extra de cobre en la parte superior, en contacto con el zinc, y un disco extra de zinc en la parte inferior, en contacto con el cobre. [10] Ampliando el trabajo de Volta y el trabajo de electromagnetismo de su mentor Humphry Davy , Michael Faraday utilizó tanto imanes como la pila voltaica en sus experimentos con electricidad. Faraday creía que todas las "electricidades" que se estudiaban en ese momento (voltaica, magnética, térmica y animal) eran la misma. Su trabajo para probar esta teoría lo llevó a proponer dos leyes de la electroquímica que estaban en conflicto directo con las creencias científicas actuales de la época establecidas por Volta treinta años antes. [11] Debido a sus contribuciones a la comprensión de este campo de estudio, Faraday y Volta están considerados entre los padres de la electroquímica . [12] Las palabras "electrodo" y "electrolito", utilizadas anteriormente para describir el trabajo de Volta, se deben a Faraday. [13]
La resistencia del pilote se expresa en términos de su fuerza electromotriz , o fem, expresada en voltios. La teoría de la tensión de contacto de Alessandro Volta consideraba que la fem, que impulsa la corriente eléctrica a través de un circuito que contiene una celda voltaica, se produce en el contacto entre los dos metales. Volta no consideró significativo el electrolito, que normalmente era salmuera en sus experimentos. Sin embargo, los químicos pronto se dieron cuenta de que el agua del electrolito estaba involucrada en las reacciones químicas de la pila y conducía a la evolución de gas hidrógeno a partir del electrodo de cobre o plata. [2] [14] [15] [16]
La comprensión atomista moderna de una celda con electrodos de zinc y cobre separados por un electrolito es la siguiente. Cuando la celda proporciona una corriente eléctrica a través de un circuito externo, el zinc metálico en la superficie del ánodo de zinc se oxida y se disuelve en el electrolito como iones cargados eléctricamente (Zn 2+ ), dejando 2 electrones cargados negativamente (
mi−
) detrás del metal:
Esta reacción se llama oxidación . Mientras el zinc ingresa al electrolito, dos iones de hidrógeno cargados positivamente (H + ) del electrolito aceptan dos electrones en la superficie del cátodo de cobre, se reducen y forman una molécula de hidrógeno sin carga (H 2 ):
Esta reacción se llama reducción . Los electrones utilizados del cobre para formar las moléculas de hidrógeno están formados por un cable o circuito externo que lo conecta al zinc. Las moléculas de hidrógeno formadas en la superficie del cobre por la reacción de reducción finalmente burbujean como gas hidrógeno.
Se observará que la reacción electroquímica global no involucra inmediatamente al par electroquímico Cu 2+ /Cu (Ox/Red) correspondiente al cátodo de cobre. Por lo tanto, el disco de metal de cobre sólo sirve como conductor de metal noble "químicamente inerte" para el transporte de electrones en el circuito y no participa químicamente en la reacción en la fase acuosa. El cobre actúa como catalizador para la reacción de desprendimiento de hidrógeno, que de otro modo podría ocurrir igualmente directamente en el electrodo de zinc sin que fluya corriente a través del circuito externo. El electrodo de cobre podría ser sustituido en el sistema por cualquier conductor metálico suficientemente noble/inerte y catalíticamente activo (Ag, Pt, acero inoxidable, grafito, ...). La reacción global se puede escribir de la siguiente manera:
Esto se estiliza útilmente mediante la notación de cadena electroquímica:
en el que una barra vertical representa cada vez una interfaz. La doble barra vertical representa las interfaces correspondientes al electrolito que impregna el disco de cartón poroso.
Cuando no se extrae corriente de la pila, cada celda, que consta de zinc/electrolito/cobre, genera 0,76 V con un electrolito de salmuera. Los voltajes de las celdas en la pila se suman, por lo que las seis celdas en el diagrama de arriba generan 4,56 V de fuerza electromotriz.
Entre principios del siglo XIX y la década de 1830 se inventaron varios pilotes secos de alto voltaje en un intento de determinar la fuente de electricidad del pilote voltaico húmedo y, específicamente, para respaldar la hipótesis de Volta sobre la tensión de contacto. De hecho, el propio Volta experimentó con una pila cuyos discos de cartón se habían secado, probablemente accidentalmente.
El primero en publicarlo fue Johann Wilhelm Ritter en 1802, aunque en una revista poco conocida, pero durante la siguiente década fue anunciado repetidamente como un nuevo descubrimiento. Una forma de pila seca es la pila Zamboni . Francis Ronalds en 1814 fue uno de los primeros en darse cuenta de que los pilotes secos también funcionaban mediante reacción química en lugar de contacto de metal con metal, aunque la corrosión no era visible debido a las muy pequeñas corrientes generadas. [17] [18]
La pila seca podría considerarse el antepasado de la pila seca moderna . [ ¿ investigacion original? ]
Durante la acción de un círculo simple, como el del zinc y el cobre, excitado por ácido sulfúrico diluido, todo el hidrógeno desarrollado en la acción voltaica se desprende en la superficie del cobre.
