Batería de limón

Diagrama que muestra tres células de limón enlazadas para que energicen el diodo rojo que emite luz (LED) en la parte superior. Cada limón individual tiene un electrodo de zinc y un electrodo de cobre insertado en él; el zinc es gris coloreado en el diagrama. Las líneas esbeltas dibujadas entre los electrodos y el LED representan los alambres.

Una batería de limón es una batería simple que a menudo se fabrica con fines educativos. Por lo general, una pieza de metal de zinc (como un clavo galvanizado) y una pieza de cobre (como una moneda de un centavo) se insertan en un limón y se conectan mediante cables. La energía generada por la reacción de los metales se utiliza para alimentar un pequeño dispositivo, como un diodo emisor de luz (LED).

La batería de limón es similar a la primera batería eléctrica inventada en 1800 por Alessandro Volta, quien usaba salmuera (agua salada) en lugar de jugo de limón. La batería de limón ilustra el tipo de reacción química (oxidación-reducción) que ocurre en las baterías. El zinc y el cobre se llaman electrodos, y el jugo dentro del limón se llama electrolito. Hay muchas variaciones de la celda de limón que utilizan diferentes frutas (o líquidos) como electrolitos y metales distintos del zinc y el cobre como electrodos.

Uso en proyectos escolares

Existen numerosos conjuntos de instrucciones para fabricar baterías de limón y para obtener componentes como diodos emisores de luz (LED), medidores eléctricos (multímetros) y clavos y tornillos recubiertos de zinc (galvanizados). Comercial "reloj de patata" los kits de ciencia incluyen electrodos y un reloj digital de bajo voltaje. Después de ensamblar una celda, se puede usar un multímetro para medir el voltaje o la corriente eléctrica de la celda voltaica; un voltaje típico es de 0,9 V con limones. Las corrientes son más variables, pero varían hasta aproximadamente 1 mA (cuanto más grandes sean las superficies de los electrodos, mayor será la corriente). Para un efecto más visible, las celdas de limón se pueden conectar en serie para alimentar un LED (ver ilustración) u otros dispositivos. La conexión en serie aumenta el voltaje disponible para los dispositivos. Swartling y Morgan publicaron una lista de dispositivos de bajo voltaje junto con la cantidad correspondiente de celdas de limón que se necesitaban para alimentarlos; incluían LED, zumbadores piezoeléctricos y pequeños relojes digitales. Con los electrodos de zinc/cobre, se necesitaban al menos dos celdas de limón para cualquiera de estos dispositivos. Al sustituir el electrodo de zinc por un electrodo de magnesio, se crea una celda con un voltaje mayor (1,5-1,6 V), y una sola celda de magnesio/cobre alimentará algunos dispositivos. Tenga en cuenta que las bombillas de luz incandescente de las linternas no se usan porque la batería de limón no está diseñada para producir suficiente corriente eléctrica para encenderlas. Al multiplicar la corriente promedio de un limón (0.001A/ 1mA) por el voltaje promedio (más bajo) (diferencia de potencial) de un limón (0.7V) podemos concluir que se necesitarían más de 6 millones de limones para darnos el poder de una batería de automóvil promedio de 4320W.

Variaciones

Batería de patatas con electrodos de zinc (izquierda) y cobre. El electrodo de zinc es un tornillo de máquina galvanizada. El electrodo de cobre es un alambre. Observe las etiquetas − y + marcadas en la patata indicando que el electrodo de cobre es el terminal positivo de la batería. Un tornillo corto y tuerca conectan los electrodos a los alambres de cobre que tienen revestimientos de plástico aislantes negros y rojos.

Se pueden usar muchas frutas y líquidos para el electrolito ácido. La fruta es conveniente porque proporciona tanto el electrolito como una forma sencilla de sostener los electrodos. El ácido que interviene en los cítricos (limones, naranjas, pomelos, etc.) es el ácido cítrico. La acidez, que está indicada por el pH medido, varía sustancialmente.

Las papas tienen ácido fosfórico y funcionan bien; son la base para el "reloj de patata" equipos Se han propuesto baterías de patata con iluminación LED para su uso en países pobres o por poblaciones fuera de la red. Una investigación internacional iniciada en 2010 mostró que hervir papas durante ocho minutos mejora su producción eléctrica, al igual que colocar rebanadas de papas entre varias placas de cobre y zinc. La médula de plátano hervida y picada (tallo) también es adecuada, según investigadores de Sri Lanka.

En lugar de frutas, se pueden usar líquidos en varios recipientes. El vinagre doméstico (ácido acético) funciona bien. El chucrut (ácido láctico) apareció en un episodio del programa de televisión estadounidense Head Rush (una rama del programa MythBusters). El chucrut había sido enlatado y se convirtió en el electrolito, mientras que la lata en sí era uno de los electrodos.

Los electrodos de zinc y cobre son razonablemente seguros y fáciles de obtener. También se pueden estudiar otros metales como plomo, hierro, magnesio, etc.; producen voltajes diferentes que el par zinc/cobre. En particular, los electrodos de magnesio/cobre pueden generar voltajes de hasta 1,6 V en celdas de limón. Este voltaje es mayor que el que se puede obtener usando celdas de zinc/cobre. Es comparable al de las baterías domésticas estándar (1,5 V), lo que resulta útil para alimentar dispositivos con una sola celda en lugar de usar celdas en serie.

Resultados de aprendizaje

Para los alumnos más pequeños, entre 5 y 9 años, el objetivo educativo es utilitario: las baterías son dispositivos que pueden alimentar otros dispositivos, siempre que estén conectados mediante un material conductor. Las baterías son componentes de los circuitos eléctricos; conectar un solo cable entre una batería y una bombilla no encenderá la bombilla.

Para los niños de 10 a 13 años, las baterías se utilizan para ilustrar la conexión entre la química y la electricidad, así como para profundizar en el concepto de circuito de la electricidad. El hecho de que se utilicen diferentes elementos químicos, como el cobre y el zinc, se puede ubicar en el contexto más amplio de que los elementos no desaparecen ni se descomponen cuando se someten a reacciones químicas.

Para alumnos mayores y estudiantes universitarios, las pilas sirven para ilustrar los principios de las reacciones de oxidación-reducción. Los estudiantes pueden descubrir que dos electrodos idénticos no producen voltaje y que diferentes pares de metales (más allá del cobre y el zinc) producen voltajes diferentes. Se pueden examinar los voltajes y las corrientes de las combinaciones en serie y en paralelo de las baterías.

La corriente que emite la batería a través de un medidor dependerá del tamaño de los electrodos, qué tan lejos se insertan los electrodos en la fruta y qué tan cerca se colocan los electrodos; el voltaje es bastante independiente de estos detalles de los electrodos.

Química

Sección transversal de una célula cobre/zinc con un electrolito ácido sulfúrico. El dibujo ilustra el modelo atómico para las reacciones químicas; las células limón tienen esencialmente el mismo modelo. Los átomos de zinc entran en el electrolito como iones desaparecidos dos electrones (Zn²⁺). Dos electrones cargados negativamente del átomo de zinc disuelto quedan en el metal de zinc. Dos de los protones disueltos (H⁺) en el electrolito ácido se combinan entre sí y dos electrones para formar hidrógeno molecular H₂, que burbujas del electrodo de cobre. Los electrones perdidos del cobre se componen moviendo dos electrones del zinc a través del alambre externo.

La mayoría de los libros de texto presentan el siguiente modelo para las reacciones químicas de una batería de limón. Cuando la celda proporciona una corriente eléctrica a través de un circuito externo, el zinc metálico en la superficie del electrodo de zinc se disuelve en la solución. Los átomos de zinc se disuelven en el electrolito líquido como iones cargados eléctricamente (Zn²⁺), dejando 2 electrones cargados negativamente (e⁻) en el metal:

Esta reacción se llama oxidación. Mientras el zinc ingresa al electrolito, dos iones de hidrógeno cargados positivamente (H⁺) del electrolito se combinan con dos electrones en la superficie del electrodo de cobre y forman una molécula de hidrógeno sin carga (H ₂):

Esta reacción se llama reducción. Los electrones utilizados en el cobre para formar las moléculas de hidrógeno se transfieren desde el zinc a través de un cable externo que conecta el cobre y el zinc. Las moléculas de hidrógeno formadas en la superficie del cobre por la reacción de reducción finalmente burbujean como hidrógeno gaseoso.

Resultados del experimento

Este modelo de reacciones químicas hace varias predicciones que fueron examinadas en experimentos publicados por Jerry Goodisman en 2001. Goodisman señala que numerosos autores recientes proponen reacciones químicas para la batería de limón que involucran la disolución del electrodo de cobre en el electrolito. Goodisman excluye esta reacción por ser inconsistente con los experimentos y señala que la química correcta, que involucra la evolución de hidrógeno en el electrodo de cobre pero también puede usar plata en lugar de cobre, se conoce desde hace muchos años. La mayoría de las predicciones detalladas del modelo se aplican al voltaje de la batería que se mide directamente con un medidor; nada más está conectado a la batería. Cuando se modificó el electrolito agregando sulfato de zinc (ZnSO₄), el voltaje de la celda se redujo según lo predicho usando la ecuación de Nernst para el modelo. La ecuación de Nernst esencialmente dice cuánto cae el voltaje a medida que se agrega más sulfato de zinc. La adición de sulfato de cobre (CuSO₄) no afectó el voltaje. Este resultado es consistente con el hecho de que los átomos de cobre del electrodo no están involucrados en el modelo de reacción química de la celda.

Cuando la batería está conectada a un circuito externo y fluye una corriente eléctrica significativa, el electrodo de zinc pierde masa, como predijo la reacción de oxidación de zinc anterior. De manera similar, el gas de hidrógeno se desarrolla como burbujas del electrodo de cobre. Finalmente, el voltaje de la celda dependía de la acidez del electrolito, medida por su pH; la disminución de la acidez (y el aumento del pH) hace que el voltaje caiga. Este efecto también es predicho por la ecuación de Nernst; el ácido particular que se utilizó (cítrico, clorhídrico, sulfúrico, etc.) no afecta el voltaje excepto a través del valor de pH.

La predicción de la ecuación de Nernst falló para electrolitos fuertemente ácidos (pH < 3,4), cuando el electrodo de zinc se disuelve en el electrolito incluso cuando la batería no proporciona corriente a un circuito. Las dos reacciones de oxidación-reducción enumeradas anteriormente solo ocurren cuando la carga eléctrica puede transportarse a través del circuito externo. La reacción adicional de circuito abierto se puede observar mediante la formación de burbujas en el electrodo de zinc en circuito abierto. Este efecto finalmente limitó el voltaje de las celdas a 1,0 V cerca de la temperatura ambiente en los niveles más altos de acidez.

Fuente de energía

La energía proviene del cambio químico en el zinc cuando se disuelve en el ácido. La energía no viene del limón o de la patata. El zinc se oxida dentro del limón, intercambiando algunos de sus electrones con el ácido para alcanzar un estado de menor energía, y la energía liberada proporciona la potencia.

En la práctica actual, el zinc se produce mediante electroobtención de sulfato de zinc o reducción pirometalúrgica de zinc con carbono, lo que requiere un aporte de energía. La energía producida en la batería de limón proviene de la inversión de esta reacción, recuperando parte de la entrada de energía durante la producción de zinc.

Célula Smee

Desde 1840 hasta finales del siglo XIX, las celdas voltaicas grandes que usaban un electrodo de zinc y un electrolito de ácido sulfúrico fueron ampliamente utilizadas en la industria de la impresión. Si bien a veces se usaban electrodos de cobre como los de las baterías de limón, en 1840 Alfred Smee inventó una versión refinada de esta celda que usaba plata con una capa de platino en bruto en lugar de un electrodo de cobre. El gas de hidrógeno adherido a la superficie de un electrodo de plata o cobre reduce la corriente eléctrica que se puede extraer de una celda; el fenómeno se llama "polarización". El rugoso, "platinizado" superficie acelera el burbujeo del gas hidrógeno y aumenta la corriente de la celda. A diferencia del electrodo de zinc, los electrodos de cobre o plata platinada no se consumen al usar la batería y los detalles de este electrodo no afectan el voltaje de la celda. La celda Smee era conveniente para la electrotipificación, que producía placas de cobre para la impresión tipográfica de periódicos y libros, y también estatuas y otros objetos metálicos.

La célula de Smee utilizó zinc amalgamado en lugar de zinc puro; la superficie del zinc amalgamado ha sido tratada con mercurio. Aparentemente, el zinc amalgamado era menos propenso a la degradación por una solución ácida que el zinc puro. Los electrodos de zinc amalgamado y de zinc simple dan esencialmente el mismo voltaje cuando el zinc es puro. Con el zinc imperfectamente refinado en los laboratorios del siglo XIX, normalmente daban diferentes voltajes.

En la cultura popular

• En el video juego Portal 2, el antagonista GLaDOS está incrustado en un ordenador de patata-battery-run para una parte significativa del juego.
• In El Big Bang Teoría El episodio de la temporada 6 "The Proton Resurgence", el héroe de la infancia de Leonard y Sheldon Proton (Bob Newhart) intenta mostrar al grupo una batería de patata, que sorprende Penny.
• En el Huesos Temporada 6 episodio "The Blackout in the Blizzard", Angela y los otros "squints" construyen una enorme batería de patata en un intento de alimentar un teléfono celular. Ilustrando la salida patéticamente baja de tal sistema, es exitoso por sólo un puñado de segundos mientras utiliza docenas de patatas.
• En el episodio "Lemons" del programa de televisión Enano rojo (series X)), la tripulación viaja 4.000 millas de Gran Bretaña a India en 23 dC para conseguir limones para construir una batería de limón para encender el mando de su máquina de tiempo remoto.
• En el sexto episodio de la temporada final Mystery Science Theater 3000, el villano principal Pearl Forrester trató de apoderarse del mundo usando baterías de patata, sólo para sus planes para ser arruinado por la profesora Bobo.
• In NCIS Temporada 7 episodio 8, "Power Down", Abby Sciuto utiliza limones como fuente de energía para su estéreo cuando se queda sin baterías durante un apagón.
• In Magnum P.I., Temporada 3, episodio 2, "Easy Money", Magnum utiliza una batería de limón para cargar un walkie-talkie.
• En Terry Pratchett y Stephen Baxter La Long Earth, los dispositivos utilizados para pasar de un universo a otro parecen ser alimentados por baterías de patata.
• In Anne con E Temporada 2 episodio 10, "The Growing Good of the World", Anne y sus compañeros de clase usan pilas de patata para demostrar a su pueblo cuánto han aprendido de los métodos de enseñanza no convencionales de su nuevo maestro.