corriente electrica.bdigital.unal.edu.co/53318/37/b. aplicación de efectos químicos de l… ·...

B Aplicaci6n de efectos quimicos de la

corriente electrica

1 Electr6lisis a) Generalidades

EI hecho de que la mayor parte de las sustancias qUlmicas en 80-

lucion acuosa 0 en estado fundido cstan descompuestas en iones y que por medio de una corrientc continua e8toB iones pueden obligarse a ir a los electrodos donde se segregan en estado atomico tiene una aplicaeion enorme en la industria Ya sahemos que esta descomposicion se llama electrolisis

Hablando a la vez de fenomenos eli~ctricos y de fenomenos qUIshymicos conviene precisar un poco dos nociones fundamentales que

son oxidaci6n y reduccionL1amamos siempreen quimica oxidacion el aumento en carga positiva y reduccion el procedimiento contrario Pe sahemos que existe el ion hierro Fe+ + dos vecea positivo en sales como el bicloruro FeC12 Esta sal la podemos convertir por oxishydacion en el tricloruro Fe~13 Con esto el ion Fe+ +se convierte en el ion Fe+++

En cuanto al cloro habhise de oxidacion por supuesto tambien en el caBO de convertir acido clorhidrico en cloro elemental porque en el ncido clorhidrico el cloro que es ion tenia una carga negativa Dandole una carga positiva 0 sea neutralizando la carga negativa obtenemos cloro nulivalente sin carga electrica que yano es ion sino cloro elemental

Tambien es oxidacion la transformacion de plomometalicoen

-11 shy

sulfato de plomo EI plomo metalico es nulivalente no tiene carga eshyledrica pero el mismo plomo apareee en el sulfato como ion Pb+ + adquiriendo pues doscargas positivl8 ed se debe haber efectuado una oxidacion

Sacando 0 mejor dicho segregando de unasoluci6ri de nitrOlto de plata plata metaliea procedimiento que hemos estudiado con de~ tenimiento enIa primera parte efeetuamos una reduecion puesto que la plata en la solucion existe en torma del ion Ag+ Esta carga positiva se la quitamos(la neutralizamos con electricidad negati shyva) haciendo pues una reducei6n

Esto nos ayuda a entender una regia fundamenta~ En la ellcshytrolisis e polo negativo es siempre el polo de redultcion yel polo poshysitivo es siempre el polo de oxidacion Con esto no hacemos sino reshyp~tir con otras palabras 10 que aprendimos en la primera p~rte bull El polo negativo en la electrolisis desplende electrories y atrae lones positivos neutraliza las cargas positivas de aquelloa iones reduce pues E1 poio positivo atrae electrones los quita a los iones nega- tivas que van hacia 1 pero quitarlea un cuerpo earganegativa es 10 mismo que enriqueeerio en cargapositiva y poresto elpolo positivo es siempre polo de oxidacian

Conviene mostrar esto en un ejemplo qUE mas tarde vamos a estudiar detenidamente Si sumergimos en unasolucion(acida) de sulfato de cobre dos variJlas de cobre como electrodosdel sulfato en soludan Van al polo positivoiosiones S04 Estos iones (prescindienshydo de una reaccian secundaria de poca importancia) secombinan con el cobre del polo positivo convirtiimdolo en sulfato de cobre CUS04 Ahorala sal cantiene ese mismo cobre en forma de ion Cu++ mientras que antes el cobrA era nulivalente no tenia carga EI cobre se oxido Como el sulfato decobre se disuclve en Ill soludan dada (e lectroUto) el polo positivo mermarn y por fin desaparecera por ccgtmpleto

En cambio el polo negativo atrae lOll iones positivos de Ii solushycion que son los de cobre Las doa cargas positivas del ion Cu + + se neutralizan el cobre pasa del estadoionico al estado atomico 0 sea en el polo negativo se scgrega cobre metitlico elemental (reducdon) Por consiguiente el polo negativo aumentara continuamente de tashymano

La cantidad de cobre segregado en el polo negativo (quees la misma disuelta en el polo positivo) se determina como recordashymos segunel amperaje y Ill duracion del experimento yamiddotque 1 cou- lombio segrega 03294 mg de cobre de una solucion que contenga cobre bivalente La tensian del expenmento ES funci6n de Ill afini- dad que existe entre los iones positivos de cobre y 108 iones negativos de 804 es distinta para distintas sales(u otros electrolitos)ysu valor minimo tiene el nombre de tension de descomposicioriEn

nuestro caso que tiene una aplicaci6n practica importantlsima se trabaja por 10 general con unos 02 voltios

- b) Fabi-icacion de NaOH

Si se haee pas~r porunasolucion ~cuosa de cl~r~rode sodio una corriente continua se segrega el gas cloro en el polo positivo y el soshydio en el polo negativo pero este sodio sigue reaccionando conel agua de Ia solucian formando hidroxido de sodio y desprendiendohidroge- no Con otras palabras la electrolisis de cloruro de Bodio en ~gua da loselementos del acido clorhldrico y una solucion de sosa caustica

NaCI+HzO lt+corriente electrica) = NaOH +H+ CI Esta ecuaclan es el fundamento de una industria electroquimlshy

ca muy importa]1te de esta manera 8e producen hoy las cantidades ~ - f~

bull

- 12

enormes de sosa caustica y de cloro que se gastan en todo el mundo en fabricas de colorantes explosivos jabones etc

EI procedimiento parece seneillisimo pero una de sus dificulshytades se nos revela en seguida recordando que c1oro e hidrolddodesoshydio seeneuentran en el sistema deserito y forman hipoclorito de sodio y puesto que 10 que queremos producir es hidroxido puro noaotros tendremos que evitar esa reacciori secundaria 0 sea la formacion del hipoclorito Este problema ha siifo resuelto de vadas maneras

Fig 16

EI metodo mas importante es el metodo del diafragma sistema Siemens-Billiter representado en la figura16 En la Figura se veque en Ia solucionde clorurode sodio (35)s sumergen tres catodos G degranto EI fondo del reeipiente esta formado por tre~ capas (a b c) La capll a es una malla de hierro que sirve de cal Io y a la vez aostienelas capas bye La capa b esta formada de asbesto y la cashypa c ea el Hdiafragma 0 sea una eapa especialmente preparada y formada de una mezcla de asbesto y sulfato de bario Elllquido del tanque se difunde debido a lagravedad por el fondo triple pasanshydo por el eatodo en este se segrega el sodio pero el sodio reacciona en seguida con el agua dela solucion y forma NaOH (vease ecuacion dada mas arriba) EI NaOH gotea continuamente hacia abajo en el recipiente inferior(de donde se saea por el sifon N) y no tiene tiempo ni oClsion de reaccionar con el c1oro desprendido en los anodos La soludon lleva tambien hacia abajo el hidrogeno cat6dicamente formado este hidr6geno se desprende par el tubo h

El bano descrito trabaja con m 0 m 4 voltios y 2000 a 4000 amperios El gasto de energla es 27 kwh por kilogramo de NaOH en forma de solucion aI125 suponiendo un rendimiento de energiade 90

Otro metodono muy empleado pero muy interesante es eillashymado metoda de amalgama En estas celulas el catodo es mercurio en cuya superficie se descarga el sodio que en este caso no reacciona con el agua de la solucionsino que se disuelve enel mercurio formanshydose la IHlmada amalgama de sodio Esta amalgama se retira de la celula yen otro recipiente lie hace reaccionar con agua pura que en seguida fo~ma hidroxido de sodio e hidrogeno dejando el m~rcurio

-13 shy

~olo Este metodo es un poco mas costoso que el otro pero esmuy eleshy gante y da par supuesto un hidroxido absolutamente puro mienshytras que en el proceso Siemens-Billiter In solucion alcalinaque sale

de los banos siempre contiene alga de cloruro de sodioloque resalta en seguida fijandonos en la descripcion dad~ mas arriba -

(

c Galvalnotecnia

Un procedimitimto muy semejante ala produccionde sosa caustica (y que como csta necesita forzosamentemiddotcorriente continuaesJa segregacion de metales en-el polo negativo pero de tal mimera qua estosmetales no sigan reaccionando con el lquido del bano Un eshyjemploelemental ya 10 dimos mas arriba enla electrolisis de sulfato de cobre Esta operacion puede efectuarse con diversas soluciones do varios metales (con tal que estos metales no reaccionen con el HquiClo del bano) Este hecho tiene sus aplicaciones en la tecnica en dos rashymos grandes de ella la galvanotecnia y la refinacion electroJitica

(en soluciones) de metales La ultima la trataremos masmiddottarde en un capitulo partiCular la gavanotecnia sesuele subdividir en galvashy rioplastia y galvanostegia ~

En la galvanoplastia se trata de 10 siguiente de cierta obra matriz (flguras en relieve textos en letras discos de gramofono) se obtienen copias en relieve por segregacion electroHtica de metales Con este finmiddot se hace de la placa original en una prensa especial primero una coshypia en cera La superficie de esta copin se cubre por medio de un pinshycel 0 una maquina especial con una capa muy delgada de grafito fin- simo para hacerla conductora y despues se la cuelga en un bano p bull e de sulfato de cobre como catodoHaciendo pasar luego por este bano una corriente continua de baja tension y usando como anodo un pedazo de cobre puro despues de cierto tiempo se habra formado por encima del catodo una capa delgada rigida de cobre que se sepashyra con cuidado de la placa de cera La lamina de cobre se limpia se

Jlena en la parte posterior con ploshymo y se clava sabre un tacomiddotde madera Obtienese as un cliche que pe en tipografla sirve para sacar copias sobre papel etc

Encuentrase talvez mucho mas difundldo en la practica el trashybajo de galvanostegia Se trata aqul de cubrir objetos -ltpor 10 general metaJicos) can una capa dech~rtos metalescomo niquel cromo plata oro etc con el objeto de hacer aque~ llos objetos maS resistentes contra la oxidaci6n u otras influenciasde la intemperie a para darlesun asshypecto mas bonito EI niquelado es talvez el procediiniento mas conocido de este ramo y todos conocen

las partes niqueladas de bicicIetas automoviles etc que contienen por encima de un alma de hierro

una capa homogenea bonita por 10 general brillante de niquel Hoy en dia en los autom6viles moder-

Fig 17 nos las partes brillantes (tuercas guardachoques faroles etc) sona

melludocromizadas es decir contienen parencima del alma de

-14shy------ shy~ liilr~ouna capa de cromo La figura 17 nlS muestra un experimento

senclll de esta mdole Preparamls un electr6litl Cln 55 grde sulfatl ~montacal de niqlel y 40 grde acidl boricl que disllvemls en 1 Ittro de aguadestllada En este b~no ponemls una lamina de nlque) puro Clml anodo y una Have hmplada previamente Cln mucho cUld-dl como clitodo Haciendo pasar par este sistema una clrrienshyte pe~ de 02 amperios se observara despues de ciertl tiempo que la lIave se ha cubierto con una capa delgada y brillante de niqqel

d) Fabricaci6n de oxlgenoe hidr6geno

EStlS dos gases se producenen la industria en grandes cantida shyde por viaelectroIitica EI principio es sumamente sencillo Los elecshytrohtos mas usados son NaOH KOH y K2 C03 bull Haciendo pasar una cornente electricapor una soluci6n acuosa de NaOHes c1arl que se lIeg~e~a en el polo negativo el hidrogeno (vease mas arriba) En el polo PlSltl)ose descargandos grupos OH yflrman una moliSculil de agua (que se queda er el ~lstema) Y un atomo de oxigeno En resumen se trata pues aqul de una descomposicion electrllitica del agua de ma~era que el NaOHdur~nteel proceso se concentramas ymas Pero no se Clnsume y se neceslta agregar de vez en cuando agua destilada Plrque la concentraci6n en el banl debe quedar siempre clnstante

Eigrado optimo de conductibilidad lomuestra una sllucion que t~n~a 15 g de NaOH en 100 II de solucion (029 g de KOH en 100 g de SlIUclOn)

Las tensiones en estos bashy

nlS son un poco maYlres que2 vgtltilS Y se trabaja por

10 general conaltasintensidashydes primero para aumentar el rendimiento y segundo pashyra calentar el bano porque laconductibilidad subecon la temperatura (con mucha fre shycuencia se trabaja con ampeshyraje~ alrededor de 5COO amp)

Para un m 3 de hidrogeno senecesitan 2390 amperios hoshy

raso sean(cln una tension de 23 voltils)mm S5kwh Ala

vez se segrega 05 m 3 de l shyxigeno

Los banls trabajan con diafragma para impedir que los gases se mezclen los diashyfragmas son Plr 10 general hoshyjalataG perforadAs

Existe un sinnumero de pa tentes y sistemas distintos en este ramo (Holmboe Schoop Renard Nlggerath Garuti Schuckert Knowles Schmidt

Pechkranz etc) La Figura 18 muestra la celula Holmboe

Se vequc los catod lS (6) estan rldeados de unos dia( tagmas (8) Entre los diashyfragmls se encuentran middotIos anldos (7) EI hidrogeno sashyle Plr llII conductos 3 4 17 y el oxige~o por eI1tubo 16 Fig IS

15

e) Electroqulmica de sustancias organicas

Ya dijimls mas arriba que en prlceslS electroHticls el anoshydl es siempre el PlIl de lxidacion y el catldl es PlIl de reduccion ValiendonlS de este hechl Pldemls lxidar y reducir tambien sustanshycias lrganicas electrlHticamente Ll mall es que sustancias lrganishycas (Cln excepcion de las salesalcalinas de algunas de elias) nl Sln conshyductlras de manera que ha~ que buscar ~tros metodls para ponerlas en contactl Cln la zona oXldante 0 reductora Muchas veces se dishysuelve 0 se suspende la materia prima en agua 0 acido sulfuricl y se hace pasar In clrriente el~ctrica por este sistema

Un ejempll interesante es la reduccion electroHtica del acido oxalicl Cz 04 Hz que se Clnvierte en acido glicolico C2 03 H4 bull

2 Electrometalurgia

a) La corriente electrica calienta uniCamente

Todos Clnocen el alto horno aparato importantisim~ ~n la meshytalurgia del hierrl En los ultimos linos na aumentado muchl el nushymero de altos hornls electricos Mientras que en los altos hornls Clshymunes y clrrientes hay que mezclar entre la carga cok que desemshypena poundlos papeles (combustible y reductor) el alto horno electrico e- xige un tantl Plrciento mucho mas inferior de cok exige apenas

Clk para teducir la misma corriente electrica efectua el calentashymiento

EstlS altlS hlrnos eh~ctricos tienen una forma semejante a los altos hornos de carbon pero por encima del crisol entran grandes eleshytrodos que prlducen entre si una temperatura mayor que 3000 0 aI hacer pasar la corriente En estlS hornos no entra aira se efectua una fundicion directa de mineral y carbonl Este carbono que es el reductlr se emplea casi siempre en forma de carbon de lena perl se ha trabajildo tambien ya Cln cok EI gasto de energia electrica es de unos 3000 a 4100 kwh por tonelada poundIe hierroproducido Il que

clrresponde mom a unlS 3 000 000 caIOfias Los tipos mas cons- truidos son hornos con una potencia de 3000 a 5000 kilovatios ad para una prlduccion diaria de unas 30 toneladas

La figura 19 muestra el horno de Gramwal tipo muy usadl hlY en dia Este hlrno elta constituido Plr un crisol A provisto de eledrl shydlS E y una cuba La carga consiste en una mezclade mineral funshydente y cJrb6n vegetal Con objeto de refrigerar algo la boveda del crisol y al mismotiempo para la mejor distribuciondel callr del arco vlltaicl en la cuba una parte de los gases que sedesprenden en el tragante es aspirada por el ventilador V Y despues de pasar por el deposito C dlnde abandonael polvo arrastrado mecanicamente es inyectada Plrmedio del tubo D bujo la bOveda La energia consushymida es de unlS 3000 kilovatioshora por lonelada de fundicion Peshyro estegastl depende naturalmente de la clase yde lariqueza del mineral con que se carga el horno

Claro que altos hornos electricos pueden trabajar economicashymente solo en pases con energia electrica barata Asi p e Alemania hasta hoy no trabajacon estos harnos puesto que alia el cok todashyvia es mas barato (y tambien mas conocido en su uso) que Ia energia electrica bull

Hornls de tal estiloedhornos en que la energia calorifica del combustible comun (hulla lena etc) ha sido reerilplazada por enershygiacaloritica eliictrica lls encontramos en la metalurgia de casi tldos IlS metales Asiexiste un horno electrico para la fundicion de mate de cobre (Horno Westley) un horno para la refinacion del zinc

15

e) Electroquimica de sustancias organicas

Ya dijimos mas arriba que en procesos electroliticos el anoshydo es siempre el polo de oxidacion y el catodo es polo de reduccion Valiendonos de este hecho podemos oxidar y reducir tambien sustanshycias organicas electroliticamente Lo malo es que sustancias organishycas (con excepcion de las salesalcalinas de algunas de elias) no son conshyductoras de manera que hay que buscar otros m6todos para pooerlas en contacto con la zona oxidante 0 reductora Muchas veces se dishy

suelve 0 se suspende la materia prima en agua 0 acido sulfurico y se hace pasar la corriente eJectriea por este sistema

Un ejemplo interesante es la reduecion electroUtica del acido oxalico C2 04 Hz que se convierte en acido glicolico C2 03 H4 bull

2 Electrometalurgia

a) La corriente electrica calient~ unicamente ---

Todos conocen el alto horno aparato importantisimo enla meshytalurgia del hierro En los ultimos nnos lia aumentado mucho el nushymero de altos hornos eledricos Mientras que en los altos hornos coshymunes y corrientes hay que mezclar entre lacarga cokque -desemshypena dos papeles (combustible y reductor) el alto horno electrico e- xige un tanto porciento mucho mas inferior de cok exige apenas

cok para reducir la misma corriente eHictrica efectua el calentashymiento

lt Estos altos hornos electricos tienen una forma semejante a los altos hornos de carbon pero por encima del crisci entran grandes eleshytrodos que producen entre i una temperatura mayor que 3000 G aI hacer pasar la corrienteEn estos hornos no entra aire se efectua una fundicion directa de mineral y carbono Este carbona que es cl reductor se emplea casi siempre en forma de carbon de lena pero se ha trabajado tambien ya con cok EI gasto de energia electrica es de unos 3000 a 4100 kwh por tonelada de hierroproducido 10 que corresponde mom a unos 3000 000 calol-ias Los tipos mas cons- bull truidosson hornos con una potencia de 3000 a 5000 kilovatios ~d para una produccion diaria de unas 30 toneladas

La Figura 19 muestra el horno de Groenwal tipo muy usado hoy en dia Este horno e3ta constituido porun crisol A provisto de electroshydos E y una cuba La carga consiste en una mezclade mineral fun dente ycarb6nvegetal Con objeto de refrigerar algo la b6veda del crisoI y al mismotiempo para la mejor distribucion delcalor del arco voltaico en la cuba una parte de los gases que sedesprenden en

el tragante es aspirada por el ventilador V ydespues de pasar por el deposito C donde abandona el polvo arrastrado mecanicamentees inyectada por medio del tubo D bajo la bOveda La energia consushymida es de unos 3000 kilovatioshora por tonelada de fundici6n Peshyro estegasto depende naturalmente de la clase yde la riqueza del mineral con que se carga el horno

Claro que altos hornos electricos pueden trabajar economicashymente solo en pllises con energia electrica barata Asi p e Alemania

hasta hoy no trabajllcon estosharnos puesto que alia el cok toda- vi eSmas barato (y tambien masconocido en su uso) que la energia electrlca Hornos de tal e8tilo e dhornos en que la energia calorifica del

combustible comull (hulla lena etc) ha sido reemplazada p~r enershygia caloriHca eIectrica los encontramos en la metalUrgia de casi todos los mctales Asiexiste un horno electrico para la fundicion de mate de cobre (Horno Westley) un horno para la refinacion del zinc

~ f

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- i7shy

y varios tipos de hornos electricos para la refinacion del acero Entre estos ultimos mencionamos los de Stassano Herault Girody Kjellin Este ultimo tiene una construccion bastante interesante

)

3 li) ~~~) ~l - 16

t

consiste sencillamente en un transformador enorme una armadura apropiada lleva dos devanados uno primario que recibe la corriente (alterna) y otro secundario formado pdr una artesa de materia aislashydoray refractaria que recibe el metal fundido De estamanera el meshytalliquido fundido forma una sola vuelta secundaria de alto ampeshyraje y precisamente el alto amperaje mantiene el metal Hquido (Sobre 10 que es un transformador y au funcionamiento vease mas tarde En un modele viejo de horno de Kjellinfue transformada una corriente monofasica de 3000 voltios y 90 amperios en una coshyrriente secundaria de 7 voltios y 30 000 amperios (Fig pag 20)

En este ultimo ejemplo vemos que hablando de hornos elecshytro-metalurgicoa en los cuales la corriente eIectrica calienta unicashy

mente no se neceshysita corriente conshytinuacomo en proshycesoselectroliticos En efecto casi toshydos los hornos desshycritos en este capishytulo trabajan con

corriente alterna algunas veces con corriente trifasica que es nada menos que tres corrientes

1 alternas comunes J y corrientes vease

I mas tarde)

I

Pertenecen a esshyte ramo tambien los hornos electri cos que sirven pashy

I ra la fabricacion de aleaciones de hierro tan imporshytantisfmos en la tecnica moderna

de los aceroscomo ferrosilicio ferroshy

cromo ferremanshyganeso ferroalushyminio ferrotu~sshyteno ferromolibshydena ferrovana_ dio ferrouranio ferroti tanio ferroshyfosfora y aceros nobles Son estos semejantes hastaFig 20 identicos al horno

de carburo de ealcio que veremos mas tarde La Escuela Nacionalde Minas tiene un pequenohorno (de 25 kw)

de estos y en el se han heeho algunas de las aleaciones deseritas pero tambien se ha producido hierro a partir de minerales oxidico8 anshytioquen08 La fig 20 representa un dibujo esquematico de el Merece la pena mencionar que tambien se hicieron en el unos ensayos muy interesantes acerca de una industria nueva e importante 0 sea la del cemento fundido El cemento fundido representa una clase

Fi~middot19

- 17shy

y varios tipos de hornos electricos para la refinacion del acero Entre estos ultimosmencionamos los de Stassano Heroult Girod y KjelIin Este ultimo tiene una canstrucci6n bastante interesante consistesencillamente en un transformador enorme una armadura apropiada Heva dos devanados uno primario que recibe la corriente (alterna) y otro secundario formado par una artesa de materia aisla~ dora y refractaria que recibe el metal fundido bull De esta manera el me~ talllquido fundido forma una sola vuelta secundaria de alto ampeshyraje y precisamente el alto amperaje mantiene el metal Hquido (Sobre 10 que es un transformador y su funcionamiento vease mas

tarde En un modelo viejo de horno de KjelIin fue transformada una corriente monofasica de 3000 voltios y 90 amperios en una co~ rriente secundaria de 7 voltios y 30 000 amperios (Fig pag 20)

En este ultimo ejemplo vemos que hablando de hornos elec tro~metalurgicos en los cuales la corriente electrica calienta unicashy

mente no se neceshy sita corriente conshytinuacomo en proshycesos electroliticos En efecto casi toshydos los hornos desshycritos en este capishytulo trabajan con

corriente alterna algunas veces con corriente trifasica que es nada menos que tres corrientes alternas comunes y corrientesvease

mas tarde) Pertenecen a esshy

te ramo tambien los homos electri cos que sirven pashyra la fabricacion de aleaciones de hierro tan impor~ tantisimos en la

tecnica moderna de los aceros como ferrosilicio ferroshycromo ferremanshy

ganeso Eerroalushymlnio Eerrotungsshyteno ferromolibshydeno ferrovanashydiG ferrouranio ferrotitanio ferroshyfiisforo y aceros nobles Son estos

Fig 20 semejantes hasta identicos al horno

de carburo de calcio que veremo~ rnas tarde La Escuela Nacional de Minas tiene un pequeno horno (de 25 kw)

de estos yen 01 se han hecho algunas de las aleaciones descritas pero tambien se ha producido hierro a partir de minerales oxidicos anshytioquenos La fig 20 representa un dibujo esquematico de el Merece la pena mencionar que tambien se hicieron en eI unos ensayos muy interesantes acerca de una industria nueva e importante 0 sea Ia del cemento fundido EI cemento fundido representa una clase

2

18 shy

nueva de este material es r1co I se f b rica en el alto caIor d el arco voltaico

~ambien otro aparatomuy importante para laboratori~~meshytiur1pcos Ia mufla s cahenta hoy electricamente Tales muflas e cctncas benen la mlsma forma de las munas comunes co rrlentes calentadas con carbon u otro combustible pero Ilevin e las parts laterales (ypor 10 general tambien por encima y debajo) ~nlos reostatolde ala~bres metalicos 0 de barras de ciertos mate-ria es no meta ICOS (slhta)

en a um1na y a

b) La corrienteel~ctrica elect~oliza ~nicamente Los pracedimientos que pertenecen a este capituio son anashy

logs y en cuanto a su teoria identicos a los que hemos visto en el ~a~l~ulo soble galvanotecria Se trata por 10 general de 10 siguienshy~ Sl se cue ga un metal Impuro como nodo en un bano que conshy

tene como electrolito una solucion de un compuesto del metal S ~e coloca como caodo una lamina delgada del mismo metal u nSlmo e~dtonces el anodo (polo de oxidacion) se oxida convirtien~o

se en ltXI 0 0 c1oruro en esta forma se disuelve entonces en el eectrohto ~Iat qre tiene que segregarse el metal en estado purishyAno eit e chto 0 ~servando por supuesto ciertas condiciones) laslrfin~i6n oJ Ien la Et la mdayor plrte de Is casas demoneda d W hi 11 e oro meto 0 mas conoCldo es un metoda

e 0 WI (D R P 207555) que trabaja con anodos de drudo con ~ de plata yotras inipurezas y catodos delgadisi~~ e oro purlslmo (de 24 qUllates) EI electroHto es una solucion cashy

hente de eloruro de oro con exceso de acido elorhpounddrico La refimicion r~sulta del hecho de qle durate el proceso pajo ciertas condishytonesse tegrtgaen elcatodo solo el oro quimicamente puro mien lIas que a p ata y el plomo (del oro impuro) se encuentra~ en 10 arrad~s lodos (n el fondo del recipiente)en forma de c1oruro el

platmo (del ~r~ Impur~) en la solucion (diferencia importante ~on referencla al metodo Mlller que es el otro metodo de refi d oro) Los b~nos trabajan con una densidad de intensidad dnaclon e ~O~~ ampenos por m 2 de superficie anodica los banos se ~ili~~t~~50 lreCjame~te cfon -vaPdor a 70 0 C el electrolito contiene por litro

grbull e oro en orma ~ HAuCI4 y m o m 60 cm3 de HCI I bull d TJee este pro~edlmlento (en SU forma mas nueva) la particushyarl a bull e I0 trab~Jar con corrente continua sino con corriente al shy

terna aSlmetnea (vease en la prlmera parte la figura 78 ym t d I capitulo sobre apli~ei0nmiddotdelos rayos X) que desde lueg~i~eee~ ~~antoLa Ia elctrohsls efect~s s~mejantes a los de la eorriente conshynua a eornente alterna aSlmetriea se produce conectando en se

ri~ un geLerador de corriente continua y~un generadorde corrient a ~rna os rotores de ambas maquinas deben ser capaces de resistir la Irtensldad total que esmiddotla suma vectorial de la intensidad de I cori1entt alterna y la de la corriente continua Esta intensidad totai en a practlea e~ m o m 10 mayor que la de la corriente continua SI se p~oduce una corriente llterna queoscila alrededor de la corrien2 e contnua como valr medlo y euyo valor maximo es igual a 2 1 X I

( c1ntensldad de la corrlente continua) y cuyo valor minimo es m Igual a 01 Xlc EI control de la intensidad se hace con dos ampei m

tros cone~tads ~n erie de lo~ cuales el uno un instrumentomd alatnbretermlco Indica la Intensldad totallt mientras que el otro

un Instrume~to polari~ado muestra 6nicamente Ic De la mism~ manera semlde la tenSIon Claro que la tension total es tmbiltin la suma vectorial de la tension de la corriente continuay la de I eornente alterna a

i9

La corriente alterna sobrepuesta tiene un efecto depolarizante impide el desprendimiento de eloro y a la vez afloja el eloruro de plashyta que se forma en el anodo de tal manera que este eloruro se suelta facilmente y cae en los lodos Ademas se evita merced a la corriente asimetrica una cierta reaccion secundaria muy desagradable la farmacion de doruro auroso

La tension de estos banos es m o ml2 voltiosLa densidad de corriente 2000 amperios por m 2 es tan alta porque este praceso debe aeabarse en el tiempo inas corto posible (20 hasta 24 horas) por

10 valioso del material Entre los procedimientos electrometalurgicos semejantes menshy

~ cionamos la refinacion electrolitica de la plata con electrodos de plata nitrato de plata como electrolito una densidad de intensidad de 500 ampfirios por m 2 una tension de 22 voltios una temperatura del bano de 400 C y un gasto de energia de 055kwh por kg de plata pura

Hablaremos ademas de larefinaeion electroHtica del cobre que trabaja con eleetrodos de cobre siendo el electrolito una solucion ashycida de sulfato de cobre (15 parteI de CuS04 crist 7 partes de H2 504 y 78 partes de agua) Los anodos (de cobre impuro) tienen unespesor de unos3a 4 em ylos catodos (de cobre purisimoeleetrolltico) tieshynen un espesor de 03inm La distaricia entre anodo y catodo es de unos 4 cm La densidad de intensidad oscila entre 150 y 250 ampeshyrios por m2 y la tension de los banos es de 02 a 035 voltios Trabajan las plantas modernas con banos de 5 000 hasta 10 000 amperios y las producciones anuales de una soln fibrica son de 50 000 a 350 000 t

La NorddeutscheAffinerie en Hamburgo tiene 7 grupos grandes y un grupo pequeno (de tamano medio) La produccion anual de la planta es de 50 000 t de cobre electrolitico Cada grupo grande tiene 160 banos y cadabano recibe 24 anodos del tamaiio 65 87 3 cm y 25 catodos del tamaiio 71 88003 cm EI cobre anodico tiene una pushyreza de 98 a 985 La distaneia entre mitad de un anodo y mitad del siguiente es 11 cm EI amperaje en cada banG es de 5000 amperioa La tension de los banos es 03 voltios

PROBLEMACual esla densidad anodica de la corriente en un bllnoque tiene 24 anodos Como cada anodo tiene (despreciando el

espesor) una superficie de 2XG5X87 cm 1131 m 2 la supershy~ ficie de 24 anodos sera 27144 m 2 bull Si el amperaje en cada bano es 5000 amperios desde luego la densidad anodica de la corriente sera D 7 5000 27144 = mom187 amperios por m 2

bull Grandes dificultades les present6 a los metalurgistas la refinashy

cion electrolitica del zincpero puede decirse que estas dificultades estan vencidas hoy Este procedimiento no trabaja con electrodos de i zinc sincique los anodos son de plomo y los catodos son laminas de

aluminio de manera que hay necesidad de separar despues de la eshylectrSlisis el zinc segregado del aluminio EI electrolito es una solushycion acuosa que contiene por litro m om 80 gr de zinc y 30 gr de2acido sulfurico hi densidad de la corriente es de 300 amperios por m Ia tension es 37 voltios y la temperatura del bano m o m 40middotC EIgasto de energta es de 4 kwh por kg de zinc Por fin citamos la refinacion electrolitica del plomo que es muy interesante por tener el plomo en forma de fluosilicato y ademas ashyciao hidrofluosilicico libre en elelectrolito Los electrodos son de

pl~mo~

c) La corriente electrica electroliza y calienta

El ejemplo c1asico para esteramo es la metalurgia del aluminio Siendo la materia prima para la fabricacion del aluminio el 6xido j Ab 03 es necesario reducir esta sustancia operaci6n que no puede Lefectuarse en fundicion reductora com6ny corriente con cok si shy(no que debe hacerse porelectrolisis de una masa fundida que conshyiIo)~ bull bull~ ~ - ~ - lt

i9

La corriente alterna sobrepuesta tiene un efecto depolarizante impide el desprendimiento de c1oro y a la vez aEloja ill c1oruro de plashyta que se forma en el anodo de tal manera que este cloruro se suelta facilmente y cae Em los lodos Ademas se evita merced a la corriente asimetrica una cierta reaccion secundaria muy desagradable la formacion de iIoruro auroso

La tension de estos banos e~ m o ml2 voltiosLa densidad de corriente 2000 amperiospor m 2 es tan alta porque este proceso debe acabarse en el tiempo mas corto posible (20 hasta 24 horas) por 10 valioso del material

Entre los procediinientos electrometalurgicos semejantes menshycionamos la refinacion electroIitica de la plata con electrodos de plata nitrato de plata como electrolito una densidad de intensidad de 500 amp4rios por m 2 una tension de 22voltios una temperatura del banode40degCyungastodeenergia deO55kwh porkg de plata pura

Hablaremos ademas de la refinacion cilectroUtica del cobre que trabaja con electrodos de cobre siendo elelectroHto una soludan ashy

cida de sulfato de cobre (15 partell de CU504 crist 7 partes de H2 504 y 78 partes de agua) Losimodos (de cobre impuro)tienen un espesor de unos 3 a 4 cm ylos catodos (de cobre purlsimo electrolltico) tieshynen un espesor de 03mm La distancia entre anodo y catodo es de unos 4 cm La densidad de intensidad oscila entre 150 y 250 ampeshyrios por m 2 y la tension de los banos es de 02 a 035 voltios Trabajan las plantas modernas con banos de 5000 hasta 10 000 amperios y las producciones anuales de unasolu fabrica son de 50 000 a 350 000 t

La NorddeutscheAffinerie en Hamburgo tiene 7 grupos grandes y un grupo pequeno (de tamano medio) La produecion anual de la planta es de 50 000 t de eobre eleetroliticobull Cada grupo grande tiene 160 banos y cada banG recibe 24 anodos del tamano 65 87 3 em y

25 catodos del tamano 7188003 cm EI eobre anodieo tiene una pushyreza de 98 a 985 La distancia entre mitad de un anodo y mitad del siguiente es 11 em El amperaje en cada bano es de 5000 amperioa La tension de los banos es 03 voltios

PROBLEMA ICual es la densidad anodica de la eorriente en un banoque tiene 24 anodos Como eada anodo tiene (despreeiando el espesor) una superficie de 2X65X87 em ~ 1131 m 2 la supershy

fieie de 24 anodos sera = 27144 m 2 bull 5i el amperaje en cada bano es 5000 amperios desde luego la densidad anodiea de Ia corriente sera D7 5000 27144 = mom 187 amperios por m 2 bull

Grandes dificultades les presento a los metalurgistas la refinashycion eleetrolltica del zinepero puede decirse que estas dificultades estan vencidas hoy Este proeedimiento no trabajaeon eleetrodos de zinc sino que los anodos son de plomo y los dltodos son laminas de

liluminio de manera que hay neeesidad de separar despues de la eshylebtrSlisis el zine segregado del aluminio El eleetr6lito es unasolushy

cion aeuosa que contiene por litro m om 80 gr de zine y 30 gr de acidosulfurieo 18 densidad de la corriente es de 300 amperios por m 2 latension es 37 voltios y la temperatura del bano m o m 40middotC

EI gasto de energla es de 4 kwh por kg de zinc Por fin citamos la refinacion electrolitiea del plorno que es muy iriteresante por tener el plolno en forma de fluosilicato y adernas a cido hidrofluosillcieo libre enelelectrolito Los electrodos son de plqmo

c) La corriellte electrica electroliza y calienta

EI ejemplo clasico para este ramo es la metalurgia del aluminio i 5iendo Ia materia prima paraIa fabricacion del aluminio el oxido Alz 03 es necesario reducir esta Bustaneia operacion que no puede

middotltefectuarse en fundicion reduetora cornun y corriente con cok sishyV no que debe hacerse por electrolisis de una masa fundida que conshy~ - ~

Planta

de ozono

(ptl 24)

20

EsqueIl1l del homo Kjellil_ (ppoundg 17)

-21

Plantas electroqu1micas

- 21shy

Plantas electroqu~micas

22

tiene disuelto al A12 Os Por esto el desarrollo de la metalurgia del a luminio est Intimamente ligado con el desarrollo de Ia electricidad tecnica La idea general de esa metalurgia es la siguiente se funde una mezcht de oxido de aluminio y criolita y estamiddotfundicion se elec trpliza en un horno especial con corriente continua a unos 1000Ci usando electrodos de carbon entonces el aluminio metalico sese- grega en el polo negativo y el oXlgeno va al polo positivo

Naturalmente el factor mas importante de esta industria esa cuestion de la materia prima Esta es beauxita 0 sea oxido de alumishynio hidratado que por procedimientos especiales y cuidadosos se convierte en el oxido purlsimo deshidratado que exige la electr6lisis La criolita es unicamente fundente se necesita solamente enmiddot canti shydades muy pequenas pues su cantidad queda te6ricamente constanshyte y hay que agregarla al proceso solo de vez en cuando debido a las pequenas cantidades que se pierden por causas inevitables

Los gastos totales en material para la fabricacion de 1 kg de alushyminio son los siguientes ~

alumina pura 20 kg criolita 01 kg carbon de electrodos 08 kg gasto de energia 27 kwh

Fig 21

Una planta de electrolisis d1 aluminio contiene bulldos departamenshytos 0 sea Ia fabrica para la preparacion (refinacion) de la beauxita y la planta metalurgica propiamente dicha

La ultima tiene como utensilio principal hornos eIectricos construldos segun el esquema en la figura 21 Se ve que esta forshymado por un recipiente de plancha de hierro cuyo fondo esta proshyvisto de placas de carbon que sirven a la vez como polo negativo Los hornos mas usados hoy dia tienen m o m unos 25 m de longishytud 1m de anchoy 05 m de altura Cada horno trabaja con una tenshysion de 7 voltios y con una intensidad que varia entre 10 000 y 20 000 amperios Las plantas grandes trabajan hoy con 300 a 500voltiqa pa-

o

- 23shy

bull tAm~ que contiene 45 0 70 hornos acoplados enI serie ra un SIS ~ db ergido en amasa

EI polo positivo es el electrodo e car onsu~ d nera ue fundidaEnel se desprende el oXlgenO de Ia alumlnandeiectroJos el electrodo se quema poresto es altlo el fat~ deidrhnacenado en el

De vez en cuando se sang-ra e l1e a lqu f d del horno y pasa a una reflnaclOn i on La instalacion de esta industria es muy aconsejableden pa seni~

I b t ( das de agua) La pro UCClontienen energia e ectrlca ari a oca~ 250000 toneiadas de aluminiobull en el mundo es hoy mombull fe b~a 0 del aluminio In de aquellos

Es muy semeJante a la a rlcaCI n aldo litio be-ot~os metales menos importa~~es como ~agneslo c a ~ezcla que rilio sodio y la lla~addalea10n Ie c~~~OEt~iei6~ de cerio se Ii contlene ceno Y varlos e SUdS degio 0 I para las piedras encendeshyga luego con hierro y esto a e rna ena doras de los brikets de gasolina

3 Procedimientos el~ctroqulmicos no tratados en los capitulos anteriores

a) Acido nltrico del aire d I d t co en la industriaEn vista del consumo enorme e aCI 0 nl rl h t 0 en

4IS claro que los ingenieros han pensado desde hace muc 0 lemp

Fig 22

- 23-

ra un sistema que contiene 45 070 hornos acoplados en serie El polo positivo es el electrodo de carb6n sumergido en la masa

fundida En el se desprende el oXlgeno de la alumina de manera que el electrodo se quema poresto es alto elgasto de carb6n de electrodosbull

De vez en cuando se sangra el metal Uquido almacenado en el fondo del horno y pasa a una refinaci6n

La instalaci6n de esta industria es muy aconsejable en parses que tienen energla eIectrica barata (catdas de agua) La producci6n anual en el Mundo es hoy mom de unas 250000 toneladas de aluminio

Es muy semejante a la fabricaci6n del aluminio la de aquellos otros metales menos importantescomo magnesio calcio litio beshyriUo sodio y la Hamada aleaci6n de cerio que es una mezcla qUI contiene cerio y varios de sus hom610gos Esta aleaci6n de cerio se Ii shyga luego con hierro y esto da el material para las piedras encendeshydoras de los brikets de gasoIina

3 Procedimientos electroqulmicos no tratados en los capltulos anteriores

a) Acido nltrico del aire

En vista del consumo enorme del acido nitrico en la industria eS claro que los ingenieros han pensado desde hace Mucha tiemp en

QTiOIlt

Jy 0

Fig 22

-24 shy

la fabricacion del acido nitrico a pa~tir de los dos gases componentes del aire Este problema ha sido resuelto completamente pero-apeshysal de todo 10 elegante que es-ha sido abandohado ya Hoy se prefieshyre mas bien producir el acido nitriCo pOI oxidacion del amoniaco

EI nitrogeno y el oxlgeno se combinan a altas temperaturas Formando oxido de nitrogenoNO Pero a altas temperaturas existe tarnbien una gran tendencia a descomponerse el NO en sus dos componentes En la industria que vamos a estudiar existe pOI conshysiguiente la tarea de exponer la mezcla de los dos gases el aire pues a una temperatura alta mayor que 3000degC 0 sea a la temperatura del arco eltktrico y conducir despues los gases rapidamente a un ambiente mas Frio para evitar que la pequena parte del NO formashydo se descomponga

Otra condicion indispensable es aumentar 10 mas posible la sushyperficie de contacto entre el arco electrico y el gas (aire)

Entre las muchas variedades de este procedimiento citamos ape nas el de BirkelandEyde fig 22 en el cual un arco (de corriente alshyterna) se enuentra en un campo magnetico que 10 deforma proshyduciendo entre los dos polos del iman un disco luminoso Luego se pone en contacto el aire con la superficie grande de este disco

Ventiladores enormes transportan el aire hacia el horno y los gases despues de la reaccion hacia afuera Estos gases contienen a 10 sumo 2 a 3 de NO salen del horno aunos 1000 y van primero a traves de un serpentin rodeado de agua (pToduccion de vapor) y se siguen enfriando despues en unos dispositivos especiales La transshyformacion del NO en acido nitrico yJa transformacion delacido nishytrico en nitratos es asunto sencillisimo pero no pertenece a la mashyteria de este Iibro

EI horno Birkeland-Eyde fue el primero que obtuvo importancia industrial Se han construido despues al principio de este siglo mushychos modelos distintos y se han montado plantas enormes de acido nitrico en paises con energia electrica barata sobre todo en Noruega pero hoy esta industria ha pasado a la historia

EI gasto de energia en los distintos tipos de hornos es mom 1 kwh para 60 gr de acido nitrico

b) Ozono

Cuando se trabaja con maquinas electricas grandes se nota de vez en cuando cerca de la maquina en trabajo un olor caracteristico de ozono (03)

Valiendose de la energia electrica se ha logrado preparar indusshytrialmente este gas tan importante como desintectante Se ussn las lIamadas descargas oscuras de una corriente de alta tension Estas descargas oscuras son nada mas que descargas a traves de un gas sin aquellos fenomenos de luz tan intensos que hemos visto en la primera parte pag 140

Las descargas oscuras producen tambien fenomenos luminoshysos pero estos pOI 10 general no se yen bien

Dos electrodos cercanos bajo una tension de 8000 voltios muestran en el lado positivo un punto luminoso y entre ellos It

traves del aire a presion normal pasa una corriente de mom 02 miliamperios Bajo estas condiciones un poco del oxigeno del aire se convierte en ozono

Como ejemplo practico describiremos el aparatoozonizador de Siemens-Halske (Fig 23)

EI tubo E es de vidrio y el cilindro D de aluminio (unico metashyque no es atacado POI el ozono) Entre estos dos pasa el aire entranshydo POI J y saliendo por K Se ve en la Figura ademas el agua de reErishygeracion que esta rodeando alos tubos Tambien se ve como el cHinshy

-25 shy

dro de aluminio esta conectad~ con uno de los polos de la alta tenshysion el otro polo esta conectado con el armazon metalico del apashyrato

EI gasto de energia es de unos 17 a 25 kwh pOI kg de ozono peshyrola mezcla de gases que sale POI K porsupuesto no es ozono pushy10 La concentracion es mas bien baja (2 a 4 gr de ozono POl m 3 )

La explicacion cienttfica de este fenomeno es un poco comptishy~ada M~y probablemente se trata de una destruccion de la mlecu-

Fig 23

la de oxigeno pOl medio de los electrones formandose asi atomos de oxigeno que despues Eorman ozono

c) Carburode Calcio

La fabricaci6n de~ carburo de calcio es un procesorieta~ente electrotermico y 10 que val-0sa describir en seguida es mas bIen un apendice al capitulo B-2-a ~

EI horno para la fabricaclon (joe- carburo de calclO (FIg 24) es senshycillamente un recipiente en el cual pasa un arco voltalco (de corriente alterna) bien sea de un solo electrodo hacia el suelo que enshytonces es el otro electrodo 0 entre tres electrodos que entran en el horno Este arco pasa al traves de la carga ~el horno que es una m~zshycIa de 6xdo de calcio (cal quemada) y carbon Entonces el calor elec-

I

-25 shy

dro de aluminio esta conelttad~ con uno de los polos de la alta tenshysionl elotro polo esta conectado con el almazon metalico del apashyrato EI gasto de energla es de unos17 a 25 kwhporkg de ozono peshyro la mezcla de gases que sale pOl K por supuesto no es ozono pushyroo La concentracion es mas bien baja (2 a 4 gr de ozono por m 3 )

La explicacion cientifica de este fenomen es un poco complishycada Muy probablemente se trata de una destruccion de la molecushy

I

Fig 23

la de oxlgenopor medio de los electrones formandose asi atomos de oXlgeno que despues forman ozono

c) Carburo de Calcio

La fabricacion de carburo de calcio es un proceso netamente electrotermico y 10 que va~osa describi en seguida es mas bien un apampndice al capitulo 8-2-a

EI horno para la fabricacion 4e carburo de calcio (Fig 24) es senshyciHamente un recipiente en el cual pasa un arco voltaico (de corriente alterna) bien sea de un solo electrodo hacia el suelo que enshytonces es el otro electrodo 0 entre tres electrodos que entran en el horno Este arco pasa al traVelgt de la carga del horno que es una mezshycia de oxdo de calcio (cal quemada) y carbon Entonces el calor elecshy

-- 26 shy

tlico surninistra la energla suficiente para Ilevar a cabo la siguiente reacdon endotermica

CaO + 3 C = CaC2 + CO - 107 cal

Valiendonos de esta ecuadon podemos calcular facilmente que el gasto de energia etectrica es de unos 1950 kwh por tonelada de carburo puro En la practica se gastan por varias razones unos 3400 kwh por tonelada de carbtiro crudo (de mom 80)

EI carburo de caldo es materia prima para la fabricacion del acetileno gas combustible muy apreciado y para la fabricacion de la cianamida que de suyo sirve para producir arnoniaco

Fig 24

Tal vez no estara por demas advertir que este misrno horno de electrodos ademas se encuentra en otras industrias como pe en la fabricacion del carborundum (carburo de silicio) del electro-grafi shyto del fosforo del electro-corindon (oxido de aluminio) etc etc todos procedimientos que se distinguen solo en sus detalles quimicos pero que desde el punta de vista del electricista son todos electroter- micos ed aprovechan el calor de Joule y desde luego pueden trashybajar y trabajan casi siempre con corriente alterna

4 Pilas y acumuladores

a) Generalidades Pila Volta

En la primera parte ya hemos descrito el fundamento cientifko de una pita electroqulmica ed de un sistema que valiendose de reacciones qUlmicas produce corriente electrica

Este fenomeno es rnuy general dos tnetales cualesquiera Burnershy

)

- 27shy

gidos en un Ilquido ~p~opiado se ~d~ral~s~~~tIt~~a~~t~rf 6tro negativarnente aSl podemot bull a de los que Ie siguen se elec- de manera que cada uno cont~ua qUl~ con cualquiera de los quetriza positivamente y nega Ivamen Ie anteceden

+ carbonPtAgCuFeSnPbZnAI Mg Na - (

Prescindiendo de las rnejoras introducdas eSte r~e~ f~~ ri shy d V It (1745 1827) La pita mas AntIgua es el hlstorlco ele-Ja 0 por 0 a - d If b F 5t d V Ita 0 sea el sistema Zlnc-aCl 0 su urlco-cO re Ig bull Eiedecubri~iento de este fenomeno esta Intimamente Hgado con los nombres de Galvani (1737-1798) y de Volta La pita de Volta da

mom una tension de 106 voltios el zinc de acuerdo con la serle hashyce de polo negativo Y el cobre de palo positivo el acido sulfurico sirve a la reaccion quimica de que hablamos en la primera parte Practicamente esshyta pila no tiene hoy dia usa porque fuera de no ser su tension indepenshydiente de la temperatushyra-muestra un inconshyveniente muy grande la llamada polarizacion

bull Debido a la reacdon Fig 2gt quimica sobre la placa hd 0 en lugar de desprenderse

de cobre se acumUla el I r geno l~uen teorlca se ga a ella b d n la exp lcaClO - como d e 18 suc~ er seg d If ico-cobre por el sistema

clmbaldo eJ sltem- znC-aCI 0 sda~~na tensilm pequeilisima zlncacldo sulfuhnc~-dhdrolgepo J~e los electricistas suprimir el feshyDebldo a esto a Sloe a an I ion de la pHa de nomimo de lallPolarizhacion ~d ddru~~n~i~n~ue destruyan el Volta Para e 0 se an va 1 0 db osa que obtienen hidrogeno formado dobret laAsrl~agarooa ~~acpita la Leclanchefacilmente con un OXl an e todavia usada hoy

b) La PH Leclanche La pHa Leclanche (Fig 26) tieshy

ne como polo negativo zinc co~o polo positivo carbon y como electroshy PlcJUJt7--I-I-Vshylito una soluci6n de cloruro de ashy GIClfo ---+1-Bshymonio EI zinc desaloja el NH4 de la solucion el NH4 se descompone en amoniaco e hidrogeno q~evan al Pshy10 posit ivodonde produclrla el mlsshymo fenomeno de polarlzaclon desshycrito mas arriba y que resulta tan perjudicial si Leclanche no hubiera inventado una forma de eVltar eso Al efecto Leclanche rodeo el polo ~e carbon con una capa de Iolvo de Plshy Fig 26rolusita (Mn02) que sostlene un tashy

- 27 -shy

gidos en un liquido apropiado se electrizan uno positivanente el ltro negativamente asS podemos ordenar losmetales en una serie de manera qUoil cada uno con cualquiera de los que lesiguen se elec- triza positivamentey negativamente con cualquiera de los que Ie anteceden

+ carblnPtAgCuFeSnPbZnAI Mg Na shy(

Prescindiendo de las mejoras introducidas este orden fue fishyjado porVolta (1745-1827) La pila mas antigua es el historico eleshymento de Volta 0 sea el sistema zinc-acido sulfurico-cobre Fig 25 EI descubrimiento de este fenomeno esta intimamente ligado con 108 nombres de Galvani (1737-1798) y de Volta

La pila de Volta da mom una tension de 106 voltios el zinc de acuerdo con la serie ha~ ce de polo negativo y el cobre de polo positivo el acido sulfurico sirve a la reaccion quimlca de que hablamos en la primera parte Practicamente esshyta pila no tlene hoy dta uso porque fuera de no ser su tension indepenshydiente de Ia temperatushyra-muestra un inconshyveniente muy grande la Hamada polarizaci6n Debido a la reaccilnFig 25 qUlmica sobre la placa shy

de cobre se acumuia el hidrlgeno que en lugar de desprenderse como debta suceder segun la explicaciln teorica se pega a ella cambiando eJ sistema zinc-acido sulfurico-cobre por el sistema zinc-acido sulfurico~hidr6geno que da una tension pequeiHsima Debido a esto ha sido el afan de los electricistas suprimir el feshyn6nieno de la polarizacion cjue disminuye la tension de la pila de Volta Para ello se han valido de sustancias que destruyan el hidrogeno formado sobre la placa de cobre cosa que obtienen facilmente con un oxidante Asillegamos a una pila la Ledanche todavaa usada hoy

b) La PH Leclanche + La pila Leclanche (Fig 26) tieshy

ne como polo negativo zinc como polo positivo carbOn y como electro lito una Bolucian de doruro de ashymonio El zinc desaloja el NH4 de la solucion el NH4 se descompone en amoniaco e hidr6geno que van al ~po-10 positivodonde producirlan el misshymofenomeno de polarizacion desshycrito mas arriba y que resulta tan perjudicial si Ledanche no hubiera inventado una forma de evitar eso Al efecto Leclanche rodeo el polo de carbon con una capa de polvo de pishyrolusitll (Mn02) que sostiene un tashy

ArauIl_middot-++-k

Grdc ----hf-lshyrr~co-_-

Fig 26

~ 28shy

lego de algodonE~ta capa de pirolusita que desempefi eJ papelde sustanca despoarlzante reaCClona con el hidrogeno evitando aSI toshydos los lnconvenientes anotados La reduccion de la pirolusita va seshygun nu~~as investigaciones hasta el Mn2 0 bull El amoniaco tam~oco se volabhza sino que forma con el cloruro de zinc del electrolito la sal compleja doruro amoniacal de zinc De manera que podenos r~pres~nt~r el mecanismo quimico de la pila Leclanche por la reacshycion slgulente

Zn + 2 NH4 Cl+2MnOz =Zn (NH3 h C12 +Hz O+Mnz 03

bull S~gun esta ecuacion para sumi~istrar 268 amperioshoras se nemiddot cesltarla transformar 1 gramo equlvalente 0 sea 327 gr de zinc 53S gr de cloruro de amoshynio y 436 gr de pirolusita

Estos 268 amperioshoras + los calculamosde la siguienshytemanera El equivalente

electroquimico del zinc es 0339 0 sea de una solucion de una sal de zinc 1 ampeshyrio segrega en 1 segundo 033~ mg de zinc Inversashymente al disolverse la misshy

r~cl macantidad de zinc en 1 seg se obtendra 1 amperio 10Luego al disolverse 3268 g (que es el gramo equivalenshyte) de zinc se obtendran los 96540 coulombios que cono- cemos desde la primera parshy

~lUfJ tI1lPlt7hdcentgtte (vease pag 36 de la pri shy ~d jo4ClO1mera parte) que son 268

amperios horas La tension de esta pila

es de 147 voltios durante el uso a principio puede gel Fig 27 hasta de 19 voltios

La esistencia interior oscila entre 01 y 05 ohmios La plla Leclanche en la actualidad tiene una importancia muy

grande porque se usa enla forma de pila seca (Fig 27) Estas pilas desshyde luego no pueden ser absolutamenshytesecas elias contienen el electro1ito mezclado con sustancias absorbentes comoaserrin fecula algodon etc La pirolusita en elias se mezcla con un poco de grafito para aumentarla conductibilidad

Las conocidas baterlas B para radio contienen por 10 general 30 peshyquefias pilas Leclancheen serie (aprox 45 voltios) las lamparas electricas de bolsillo se proveen comunmente con 2 0 3 pilas Leclanche pues los bombillitos comunes son para 35 volshytios y tienen una resistencia de unos 15 ohmios

c) Pila Normal Fig 28

En busca de una pila que diera una tension indepediente de la

temperatura Y que trabajara bajo condiciones no muy complicadas y faciles de obtener en cualquier momento y en cualquier laboratorio se lIego a construir la llamada pila normal de Weston que sirve para definir el voltio segun un convenio internacional (vease primera parshyte pag 27) hecho en Washington en 1911

La pila Weston muestra a 20 0 C la tension de 10183 voltios inshyternacionales Ella consta como 10 muestra la figura 28 de un tubo de vidrio en lorma de H por cuya parte baja entran dos alambres de platino En un lado contiene mercurio metalico cubierto con una pasta formadade sulfato de mercurio y solucion concentrada de suIshyfato de cadmio y mercurio En el otro lado contiene amalgama de cadmio (125 Cd) el resto del tubo esta lleno de cristales de sulfato de cadmio (3 CdS04 8 Hz 0) y solucion concentrada de sulfato de cadmio Los tubos estan cerrados en la parte alta con una capa de parafina EI mercurio es el polo positivo el amalgama de cadmio es el polo negativo L tension de este elemento varia muy poco con la temperatura

Ella es 10185 voltios a 11 y 10178 voltios a 30deg

Otras pilas muy poco usadas+ hoy son las de Smee Greshynet Clark Daniell Meidinger CaUaud Grove Bunsenyotros

d) Otras pilas de menor importaricia

EI elemento de Smee contieshyne como electrolito acido sulfushyrico diluido en el cual se 8Ushymergen plata platinada (+) y Zinc (-)

EI elemento de Grenet contieshyne como electrolito bicromato de potasio en acidosulfurico dishyluido y como polos carbon (+) y zinc (-) Una pila semejante ha sido construida por Bunseri

La pila de Clark es semeshyjante a la pila de Weston pero contiene en vez de cadmio zinc

Fig 29 yen lugar de sulfato de cadmio 8ulfato de zinc (14328 volt)

La pila de Daniell (Fig 29) contiene como polo negativo zinc en solucion acuosa de sulfato de zinc y como polo positivo cobre en solucion acuosa de sulfato de cobre EI Hquido anodico y elliquido catodico estan separados por un tabique poroso (tension 107a 114 voltios)

La pita Meidinger es semejante a la de Daniell pero contiene el zinc en una solucion de sulfato de magnesio La tension de esta pila es de 095 voltios su resistencia interior de 10 ohmios

Como modificaciones de la pila Daniell tenemos la pila Callaud la pila Siemens y 1a pila Minotto

La pila de Grove y Bunsen contiene como polo negativo zinc en acido sulhirico diluido y como polo positivo platino o grafito en acido nitrico (oxidante depolarizador) Un tabique poroso separa los dOli liquidos Su tension es alta de 19 a 195 voltios baja resistencia interior Es capaz de suministrar

corrientes intensas Tiene el inconveniente de desprender vapores de NOz

29

temperatura y que trabajara bajo condiciones no muy complicadas y faciles de obtener en cualquier momento y en cualquier laboratorio se lIego a construr la llamada pHa normal de Weston que sirve para definir el voltio segun un conveniointernacional (vease primera par te pag 27) hecho en Washington en 1911

La pUa Weston muestra a 20deg C la tension de 10183 voltios inshyternacionales Ella consta como 10 muestra la figura 28 de un tuba de vidrio en forma de H por cuya parte baja entran dos alambres de platino En un ladocontiene mercurio metalico cubierto con una pasta formada de sulfato de mercurio y soludon concentrada de sulshyfato de cadmio y mercurio En el otro lado contiene amalgama de cadmio (125 Cd) el resto del tubo esta lIeno de cristales de sulfato de cadmio (3 CdS04 bull 8 H20) y soludon concentrada de suifato de cadmio Los tubos estan cerrados en la parte alta con una capa de parafina EI mercurio es el polo positivo el amalgama de cadmio es el polo negativo La tension de este elemento varia muy poco con la temperatura

Ella es 10185 voltios a 11 0 y 10178 voltios a 30deg

Otras pilas muy poco usadas hoy son las de Smee Greshynet Clark Daniell Meidinger Callaud Grove Bunsen yotros

d) Otras pilas de Menor importancia

EI elemento de Smee contieshyne como electrolito acido sulfushyrico diluido en el cual sesushymergen plata platinada (+) y Zinc (-)

EI elemento de Grenet contiemiddot ne como electr6lito bicromato de potasio en acido sulfuricodishyluido y como polos carbOn (+) y zinc (-) Una pila semejante ha sido construida pOI Bunseri

La pita de Clark es semeshyjante a la pita de Weston pero contiene en vez de cadmio zinc

Fig 29 yen lugar de sulfato de cadmio sulfato de zinc (14328 volt)

La pHa de Daniell (Fig 29)contiene como polo negativo zinc en soludan acuosa de sulfato de zinc y como polo positivo cobre en solucion acuosa de sulfato de cobre EI liquido an6dico y elliquido cat6dico estan separados POI uri tabique poroso (tension 107a 114 voltios)

La pila Meidinger es semejante a la de Daniell pero contiene el zinc en una solucian de sulfato de magnesio La tension de eSta pila es de 095 voltios su resistencia interior de 10 ohmios

Como modificaciones de la pila Daniell tenemos la pita Callaud la pila Siemens y la pila Minotto

La pHa de Grove y Bunsen contiene como polo negativo zinc en acido sulfurico diluido y como polo positivo platino o grafito en acidonitrico (oxidante depolarizador) Un tabique poroso separa los dOll liquidos Su tension es alta de 19 a 195 voltios baja resistencia interior Es capaz de suministrar corrientes intensas Tiene el inconveniente de desprenQer vapores

de N02

-30shy

Acci6n local en la pila Todasestas piIas usan el zinc como polo negativo LasJmpiir~shy

zas Emel (~tros metales) forman con el zinc pequenos elemetitosloshycales en corto circuito que gastan el zinc sin producir una lt0shyrriente enmiddot el circuito externo Esto puede corregirse casi en su totalidad amalgamando el zinc

e) EI acumulador Plante Entre las piIas que hemos visto unicamente Ia pila Leclanshy

che tiene importancia industrial como pUa seca y la pilaWesshyton en laboratorios como standard de tension

Ademas de estas dos pilas tenemos otra de gran importancia inshydustrial que no hemos mencionado POl ser su funcionamiento disshytinto

Este tipo de bateria tiene la particularidad de necesitar antes de su uso una preparacion especial y la ventaja de reactivarse despues de su usa por medio de una corriente eIectrica La energla electrica en- tregada se almacena en esta pila en forma de energia qUlmicaque mas tarde en el momento del uso devuelve la pita en forma de corrienshyte Este proceso se repite muchlsimas veces poresta razon se ha llashymadoa esta pila acumulador

EI principio del acumulador fue conocido desde los primeros ashynos del siglo pasado sin embargo apenas en el ano 1858 Gaston Planshyte consiguio algo prRctico 5u acumulador consta sencilJamente de dos laminas de plomo sumergidas en acido sulfurico diluMo Enconshytro Plante que pasando una corrientea traves de su aparato en una direccion obtenla una pila semejante a las descritas anteriormente capaz de suministrar corrienteen el sentido opuesto

-La explicacion de este fenomeno electroquimico es la siguiente (vease tambien el dibujo esquematico de la tigura 31) sumergiendo las dos laminas de plomo en el acido sulfurico se forman en la supershyficie de las placas capas delgadas de sulfato de plomo Pero con esto no conseguimos nada especial Ahora unimos las dos piacas con una fuente de corriente electrica ed hacemos sencillamente una electrolisis del acidosulfurico Esta primera fase del proceso se llama cargar el acumulador EI hidrogeno se va al polo negativo reaccioshyna con el sulfato de plomo y 10 reduce a plomo metalico formandoshyse a la vez acido sulfurico EI radical 504 que va al polo positivo reacshyciona tambien con e sulfato de plomo y forma Pb (504)2 0 sea sulshyfato plumbico el sulfato del plomo tetravalente Otra vez vernos 10 que ya hemos mencionado mas arriba que el polo negativo es el polo de reduccion y el positivo el de oxidacion Por hidr6lisis el sulfato plumbico se convierte en Pb02 regenerando el acido sulfurico Este fenomeno quimico no altera las condiciones electricas(el plomo oxishy

dado tetravelentepermanece tetravalente) perojunto con el fenome no catodico nos explica el aumento de concentraci6n del acido sulshyfurico durante esta electr6lisis En efecto a partir de una moIecula de acido sulfurico descompuesta por la corriente electrica se forman en este proceso tres moleculas una al polo negativo y dosd polo poshysitivG ed el bano se enriquece en acido sulfurico y su peso espedshyfico aumenta AI fin de la operacion descrita tenemos una pita forshymada por el sistema plomo metalico-acido sulfurico-bi6xido de ploshymo Este sistema que quimicamente hablando consta de plomo nulivalente acidosulfurico y plomotetravalente es inestable el ploshymo nuIivalente tiende a convertirse en plomo bivalente edbulltiende a oxidarse y el plomo tetravalente tiende a tlansformarse tambien en plomo bivalente ed tiende a reducirse Para la oxidacion del primero el metal plomo ha de convertirse en el ion plomol ed pide dos cargas positivas 0 sea desprende dos electrones 0 sea obra coshy

- 31shy

mo polo negativo Igualmente el plomo tetr~valente al conve~trse en plomo bivalente recibe dos electrones y es por esto polo POSlrVObull De manera que no necesitamos mas que unir nu~strls dos p acas por un conductor y obtendremos una corrlente electrlca Esti sIshygunda fase del proceso se llalna descarga del acumulador s e notarse que la placa que durante la carga sine ~e electrodo tegashytivo durante la descarga middottambiem es polo negatlvo pero o~servese bien que la corriente de carga y la de descarga son ~e senti 0 c~mshy

trario durante la carga la corriente va del polo negatlvo al Psltddegl en el interior del acumulador durante la descarga va tamblen e polo negativo al positivo pero en el circuito externo

Fg 30

ACUMULADOR DE AUTOMOVIL 2 Catodo - 3 Polo positishyvo-4 Caja - 5 Conecci6n entre dos celulas-6 Tapa -7 Tabimiddot que poroBo

Al fin de la descarga en ambos lados tendremos plorl0 ~i valenshyte en forma de sulfato de plomo e d hemos vuelto al pnnclplodel procedimiento 5i queremos volver a usar el acumulador debemos

repetir el procedimiento de carga Durante Ia descarga las dos pllshycas gastan acido sulfurico en la formci6n de~ sulfato e d 10 rebshyran del electrolito la concentracion del cual baJa su peso especifico disminuye bull

Enel caBO de una carga muy prolongada el anodo se convlerte completamente en PbOz y el catodo en puro plomo DeBde eate

- 31shy

rna polo negativo Igualmente el plomo tetravalente al convertirse bull en plomo bivalente recibe dos electrones y es por esto polo positivo

De manera que no necesitamos mas que unir nuestras dos placas por un conductor y obtendremos unacorriente electrica Esta seshygunda fase del proceso se llalna descarga del acumulador Es de notarse que la placa que durante la carga sirve de electrodo negashytivo durante la descarga tambien es polo negativo pero observese bien que la corriente de carga y la de descarga son de sentido conshytrario durante la carga la corriente va del polo negativo al positivo en el interior del acumulador durante la descarga va tarn bien del polo negativo al positivo pera en el circuito externo

Fg 30

ACUMULADOR DE AUTOMOVIL - 2 Citodo 3 Polo positishyv04 Caja- 5 Conecci6n entre dOB celulas-6 Tapa -7 Tabishyque poroso

Al fin de la descarga en ambos lados tendremos plomo bivalenshyte en forma de sulfato de plomo e d hemos vuelto al principiodel procedimiento Si queremos volver a usar eL acumulador debemos

repetir el procedimiento de carga Durante la descarga las dosplashy cas gastan acido sulfurico en la formaci6n del sulfato e d 10 retishyran del electr6lito la concentraci6n del cual baja su peso especifico disminuye

En el caso de una carga muy prolongada el anodo se convierte completamente en Pb02 y el catodo en puro plomo Desdeeste

--~ --

ral con el volbmetro sino mas comodamente con un aerometro vahendose de las variaciones de la concentracion del acido sulfurico

La primera soludon para un acumulador nuevo antes de carshygorlo debe tener un peso especifico de 118 10 que corresponde a una concentraci6n de 21 a 25 Durante la carga la densidad sushybe hasta 120 yen algunos casos hastl 130 (baterlas de automoviles

ch~ tiempo en estado cargado 0 descargado ed sin uso Ademas es demasiado pesado y necesita vasos costosos de vidrio caucho eboshynita etc Finalmente es poco resistente contra las vibraciones del tral)sporte

el ~cushyelecshy

en el

durante la descarga EI tecnico no sueshyIe dar este dato en coulombios sino en amperios-horas (1 amshy

lr p(cS

alam1gtle de pion deg1

ampr 7 $Il J I rn~ H

clp co 0 Q Isle middot1m

i J df r-ra V V

Ie ~

Carj -~ i

])eJc j -I-shy I II

I 6Q4gtJ~ ~~ ftuc o

~ J bull bull tempo en haro

momento en adelante la corriente q~e hacemos pasa~ por mulador sigue descomponiendo el acido sulfurico pero sus dos comshyponentes (H ySlt1) no en~uetran Ion que reaccionar en los ~rodos deprendlendose hldrogeno en el catodo y oxigeno anodo Ienal de que el acumulador esta sobrecargado

Llamase capacidad de un acumulador elnumero de coulombios que puede entregar

perio-hora =3600 coulombios) Los acumuladores indusshy

triales en lugar de estar forshymados unicamente de dos placas contienen muchas pashy

ra obtener una superficie acshytiva mas grande

LIJ figura 32 muestra es-Fig 31 quematicamente la distribu-

I I V cion de las placas en una ceshyu al emos que las placas positivas estan colocadas en los espacios

de as plllcas negatlvas Entre unas y otras se colocan materiales porosos aJslantes

La capacidad de n acumulador depende de la superficie actishyva de Ias placas Experlnentalmente se ha fijado que para obtener 4 nmperJ08-ho~s se neceslta 1 dm2 de superficie total an6dicabull

La tension de estos acumuladores de plomo es alrededor de 2 voltlos pero varia d~ante la carga y durante 1a descarga La figura 33 mues~ra la varlaClon d~1 voltaje durante estas dos fases Cuando el voltaJe alcanza 18 voltlos es tiempo de volver a cargar la bateria

I ~ 1

Fig 32

EI t~nico no determinael est~do ~e carga 0 de descarga por 10 geneshy

- 33

ParaSager la energia que un acumulador almacena basta muIshytiplicar Stl capacidad por el voltaje medio de la descarga Por 10 geshyeral cada kg de peso decelula almacena unos 324 vatioshoa EI acumulador de plomo puede devolver unos 80 a 90 de Ia energiD enshytregada en Ia carga

Las conocidas baterias de autom6viles constanpor 10 general de tres celdas en serie trabajan pues con 6 voltios Tienen una capa~ cidad total de 100 a 200 amperios-hora De una baterla de 160 ampeshyrioe-hora puede sacarse durante 8 horJs continuamente una corriente de 20 amperios La i~tensidad que puede dar un acumulador cons-

Fig 33

tantementedurante 8 horas descargandose en este tiempo es 10 que se llama rata normal de descarga Las baterias de automoviles tienen que ser eapaces de suministrar durante tiempos cortos (arranque) eorrientes muyintensal hasta 2000 masamperios

Es importante advertir que la capaciclad de un ncumu1ador es tn~to mayor cuanto mas lenta sea Ia descarga 0 sea CUlnto mas bu- jas sean las intensidados de descarga

La resistencia interior de estas celdas es insignificante Par 10 general no alcanza 002 ohmio

f) El Acumulador Edison

QUlmicamente tanto en la pila Volta como en el aeumulador de plomo tenemos el mismo fen6meno EI metal del catodo se oxida en la descarga aSI el zinc se eonvierte en ion de zinc que va a lasolushycion el plono se convierte tambit~n en cl ion plomot pero este se queda en forma de PbS04 en la superficie de la plaea por ser el ultimo compuesto insoluble Par esto en la pila es imposible regeneshyrar ia actividad mientras que en el acumulador en la fase de carga puede regenerarse plomo metalico Esto nos 10 permite el hecho qUlmico de existir el plomo en tres estaclos d~ cuantivalencia

Sin embargo el acumulador de plomo bene algunas desventashyjas que son las siguientes en primer lugar no puede permanecer mushy

- 33

Para salgter la energia que un acumulador almacena basta mulshytiplicar su capacidad por el voltaje medio de la descarga Por 10 geshyeral cada kg de peso de celula almacena unos 324 vatios-hora EI acumulador de plomo puede devolver unos 80 a 90 de la energia enshytregada en la cargl1

Las conocidas baterias de automoviles constanpor 10 general de tres celdas en serie trabajan pues con 6 voltios Tienen una capa~ ddad total de 100 a 200 amperios-hora De una bateria de 160 ampeshyrioe-hora puede sacarse durante 8 hor~s continuamente una corriente de 20 amperios La il-tensidad que puede dar un acumulador cons-

Fig 33

tantementedurante 8 horas descargandose en este tiempo es 10 que se llama rata normal de descarga Las baterias de automoviles tienen que ser capaces de suministrar durante tiempos cortos (arranque) corrientes muyintensas hasta 200 0 mas amperios

Es importante advertir que la capacidad de un ncumulador es tanto mayor cuanto mas lenta sea la descarga 0 sea cuanto mas bashyjas sean las intensidadlts de descarga

La resistenda interior de estas celdas es insignificante Por 10 general no alcanza 002 ohmio


QUlmicamente tanto en la pila Volta como en el acumulador de plomo tenemos el mismo fenomeno El metal del catodo se oxida en la descarga asi el zinc se convierte en ion de zinc que va a lasolushycion el plomo se convierte tambien en el ion plomo pero este se queda en forma de PbSO en la superficie de la placa por ser el ultimo compuesto insoluble Par estop en la pila es imposible regeneshyrar ia actividad mientras que en el acumulador en Ia Ease de carga puede regenerarse plomo metalico Esto nos 10 permite el hecho quimico de existir el plomo en tres estados de cuantivalencia

Sin emtiargo el acumulador de plomo tiene algunas desventashyjas que son las siguientes en primer lugar no puede permanecer mushycho tiempo en estado cargado 0 descargado ed sin uso Ademas es demasiado pesado y necesita vasos costosos de vidrio caucho eboshynita etc Finalmente es poco resistente contra la~ vibraciones del trallsporte

34 shy

Para obviar estos inconvenientes Edison reemplazo el plomo por dos metales distintos al lado negativo puso placasde acera y al lashydo positi vo placas de niquel EI electrolito 10 reemplazo por hidroxi do ~e potaslo de una concentracion de 20 con un poco de hidroxidQ

de htlo I

Durante la carga el hierro que estaba en forma de hidroxido de hierro debido a la acdon de la base se convierte en hierro metalico y el niquel que estaba en forma de hidroxido de niquel bivalente sa convierte en niquel tri- y tetravalente

En )a descarga sucede 10 mismo que ya hemos descrito en el acumulador de plomo EI metal del catodo se oxida el metal del anodo se reduce

Condensemos la esenda quiniica del acumulador Edison en Ia siguiente ecuadon

Fe + Ni203 + 3 Hz = Fe (OH)z + 2Ni (OH)2

Esta ecuaci~n leida de la izq~ierda a la derecha nos represenshyta la descarga y Vlceversa para la carga De esta ecuadon vemos que durante Ia carga se form agua que va al electrolito diluyendolo De manerlque e~ este Sistema durante la carga elpeso espedfico del ele~trohto ba~a y s~be duran~e la de~carga Sin embargo estas alte~aclones no tlenen Importancaa pracbca pol ser demasiado peshyquenas

EI voltaje de este acumulador sube de 17 a 195voltiosdurante la carg~ y se muve entre ~2 y 14 voltios durante la desCarga

Mle~tras Vlmos que en el acumulador de plomo lacapacishydad era una funcion inversa de la rata de descarga en el acumulador de Edison la capacidad es practicamente independiente del tielnpo y de la intensidad de descarga

En cuanto al rendimiento energetieo este acumulador es InUY inferior al de plolno pues devuelve apenas alrededor de 58 de la energia invertida en la cargamiddot

Cada kg de Inateria activa allnacena alrededo~ de 30 vatios- hora

La resistencia interior es tambiEm muy pequena

g) Otros Acumuladores

En el transcurso del tiempo se han construido varios tipos disshytintos de acumuladores As Jungner vario el aculnulador de Edison sustituyendo el hierro por cadmio con 10 cua subio un poco el ren~ dilniento energetico

EI acumulador de Drumm es tarribicn un acumulador alcalin~ Tiene como placa positiva tanlbicn niquel y como placa negativa una lalninade niquel con superficie de zinc EI electrolito es hidroxido de potasio que tiene en soluci6n zinc en forlna de zincato Este zinc se segega en el polo negativo durante Ia carga y va en solucion dushyrante la descarga Dicen que este acumulador trabaja durante la descarga con unos 165 voltios y que tiene un rendilniento energeticode 70 a 74

En los ultilnos anos se ha escrito muchisimo en algunas revishytas tecnicas sobre el acumuador Iodac 0 acumuador de yodo de Francois Boissier (Herlnano Ciro) Este acumulador fuera de trashybajar con otras sustancias quilnicas distintas a la~ mendonadas e~ como la pila Ltcancre una pila ~secamiddot Consta de zinc (-) y car~ bon (+)EI electrohto es una soluclOn de yoduro de zinc que se enshycuentra Impregnada en una Inasa porosa (celulosa) EI anodo es una barra de carbon que esta rodeada por carbon granulado Todo elmiddotsisshytelna esta cubierto par encima por una tapa de asfalto COlnO 10 lUuestra la fig 34

- 35

Durante la carga el electr6lito se descornpone el zinc se deposishyta en la superficie del catodo y el yodo se absorbe en la superficie del carbono En la descarga la regeneracion del yoduro de zincsuminis- bull tra lil energia electrica La tension es de 12 voltios

Fig 34 Acerca delaimportancia tecnica de este ultimo acumulador hoy

todavia nopuede decirse nada En las revistas se yen articulos en fashyvor de el y contra el Los ultilnos alegan sobre todo que es un gran inconveniente su tendencia a la ~auto-descarga esdecir a desshycargarse sin tener circuito externo

Una cosa muy nueva es el aculnulador de estano (Fery) E acumulador de plomo muestra el inconveniente de que el plomo esshyponjoso en la superficie del catodo reacciona facilmente con el acishydo sulfurico con desprendimiento de hidrogeno 10 que da lugar a reacciones reductoras en el modo Asi disminuye la capacidad del aculnulador cuando el circuito externo esta abiertoPor esta razon se ha pensado Inucho en utilizar como material catodico el estano puesto que este metal no reacciona tan facilmente con el addo Pero el uso del estano en los acumuadores tiene un inconveniente dushyrante la carga este metal se segrega en el catodo en forma de agujas largas y delgadas que facillnente forman puentes entre anodo y cashytodo Este peligro 10 vend6 Fery llenando cl espacio entre los elecshytrodos con acido siUcico granulado y poroso que de suyo contiene el aeido sulfurico En este caso no se forlnan durante la carga entre los granos de silice las agujas de estano EI estano se segrega mas bien en forma de una Inasa esponjosa de gran superficie mientras que el gas que se forlna durante la carga puede desprenderse a trashyyeS dela mala porosa de la silice Para evitar una polarizaci6n debido a la influencia del aire se coloca el catodo de estano en el fonshydo del recipiente y por encilna de el cuelgan las placas an6dicas que son talnbicn en este caso de bi6xido de plomo As se ha creado

un acumulador ceo e cual dicen que puede utilizarse con mushy

- 35shy

Durante la carga el electrolito se desco~poneel zinc se deposi ta en la superficie del catodo y el yodo se absorbe en la 8uperficie del carbono En la descarga la regeneracian del yoduro de zincsuminbshy tra Iii energia elt~ctricil La tension es de 12 voltios

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carbOh~~~~~

zin(


todavla no puede decirse nada En las revistas se ven artlculos en fashyvor de el y contra el Los ultimos alegan sobre todo que es un gran inconveniente su tendencia a la ~middotauto-descarga es decir a desshycargarse sin tener circuito externo

Una cosa muy nueva es el acumulador de estano (Fery) E1 acumulador de plomo muestra el inconveniente de que el plomo esshyponjoso en la superficie del catodo reacciona facilmentc con el acishydo sulfurico con desprendimiento de hidrogeno 10 que da lugar a reacciones reductoras en el anodo As disminuye la capacidad del acumulador cuando el circuito externo esta abiertoPor esta raz6n se ha pensado mucho en utilbar como material catodico el estano puesto que este metal no reacciona tan facilmente con el acido Pero el uso del estano en los acumuladores tiene un inconvenhnte dushyrante la carga este metal se segrega en el catodo en forma de agujas largas y delgadas que ficilmente forman puentes entre anodo y cashytodo Este peligro 10 venda ~ Fery llenando el espacio entre los elecshytrodos con acido sillcico granulado y poroso que de suyo contiene el acido sulfuricoEn este caso no se forman durante la carga entre los granos desllice las agujas de estano EI estano se segrega mas bien en forma de una masa esponjosa de gran superficie mientras que el gas que se formadurarite la carga puede desprenderse atrashyves de la maaa porosa de la sllice Para evitar una polarizaci6n debishydo a la influencia del aire se coloca el catodo de estano en eJ fonshydo del recipiente y por encima de el cuelgan las placas an6dicas que son tambien en este caso de bioxido de plomo ASl se ha creado un acumulador aeco elcual dicen que puede utHizarse con mushy

- 36shy

cha ventaja para lamp~ras de bolsmo Tal batelia para estas lamshy paritas pequenas tiene 2 amperios-hora y muestra una tension de

I 19 voltios ed casi 10 mismo que un acumuladorde plomo Pero muestra la gran ventaja de no sufrir aquellasperdidas de capacidad que describimos mas arriba

PROBLEMA iCuanto vale en Medellinla carga de un acumushylador de una sola ctlula de SO amperios-hora

Sabemos que en el taller donde cargan este acumulador tienen que en~regarle 2X50 vatios-hora porque la tension del acumushylador comun de plomoes de 2 voltios Esta cltntidad de energia 100 vatios-hora 0 sea un decimo de kilovatio-hora valdra en Meshydellin un decimo de centavo Naturalmente los talleres cobran mas porque tienen que sostener su equipo y ademas tienen que transforshymar la corriente puesto que 10 que tenemos en Medellin es corrienshyte alterna y 10 que se precisa para cargar un acumulador es corrienshyte continua Si se trata deun acumulador de 3 celulas y de una capacidad de 150 amperios-hora entonces la capacidad de cada celula es por BUshy

puesto 150 amperios-hora pero la energia que hay que darIe en la carga tt toda la bateria es de 150 X 6 900 vatios-hora

PROBLEMA LCulntos caballos-hora hay que gastar para cargar 50 acumuladores de plomo conectados en serie cada uno de una conshytratension de 22 voltios una resistencia interior de 002 ohmios y una capacidad de 60 amperios-hora En que tiempo se hace la carshyga si la intensidad de la corrientede carga es 05 amperios

5 Efectos Electroternlicos en la vida diaria

Cada ano verno aumcnt~do cl uso de la corricnte electrica en las habitaciones y cocinas del hombre moderno Fuera det consumo enorme en bombillos electricos (Jos cuales estudiaremos mas tarde en un capitulo especial) y de los motores elect~icosque tambien en tipos por 10 general pequenos entran mas y mas en el uso domestico (y que tambien veremos mas tarde) sobre todo el calentamiento por medio de la corriente electrica es un hecho con el cual hoy dia se esta familiarizando la senora de la casa como esta familiarizado hace anos el ingeniero de las plantas industriales

Mientras que pe en electrometalurgia vimos mucho el uso del arco electrico este no se emplea en las caSDS debido a SU cashylor demasiado intenso y al peligro de su manejo Lo que se usa en las casas es por 10 general el alambre de resisten-Cia ed un alambre casi siempre en forma de una espiral metalico (0 en casos raros de carshybon u otros materiales) que se calienta debido a la corriente electrica que pasa porHClaro esta que se usan materiales con re~istencia especifica alta para no tener necesidacl de emplear un conductor demasiado largo Por esshyto se usan aleaciones como las mencionadas en Ja pag 43 de In primera parte yen el cuadr03 del apendice Estos alambres ordinariamente envueltos sobre mica material aislante muv bueno y al mismo tiempo material resistent~ al calor se colocan debidamente aislados en el interior de parrillas pJanchalcalentadores cafeteras etc etc Los extremos del alambre se conectan ados bornes apropiados para unirlos con la linea exterior

-37shy

Un ejemplo sencillo 10 muestra el esquema de Ia figura 35 que debido a su sencillez no necesitli explicacion Un poco mas compHshycado es el esquema de Ia figura 36 que corresponde a una parrilla de tres temperaturas Se ve que en el interior de la parrilla tenemos dos reostatos distintos Uno consume pe 200 vatios conectandolocon una Hnea de 110 voltios y tiene una resistencia de 605 ohmioa (R =E2 P) el otro en el dibujo mas grueso tiene una potencia doble una resistericia unicamente de 3025 ohmios En el exterior del aparato se encuentran tres bornes como se ve en Ia figura Entre Ia linea y el aparato llte encuentra un interrupt~r especial Si el aparato no eata en uso el borne 1 al cual estan conectados dos extremos de ambos reostatos esta en coneccion con un polo de la linea Para utilizar el aparato con el interrupt~r se puede unir al otro polo de la linea con el borne 3 (en circuito 200 vatios) 0 con el borne 2 (en circuito 400 vatios) 0 con los bornes 2 y3 ala vez (en circuito 600 vashy

tios)Asl tenemos la posibishy lidad de conseguir 3 tempeshy

raturas distintas Supongashymos que nuestro aparato tiene una capacidad calori shyfica de 01 ed para subir en ldegC su temperatura se necesita 01 caloria Los 200 vatios del primer caso proshyducen en una hora 200 vashytios-hora 0 sea 720000 joushylios que son iguales a 1728 calorias (vease primera parte

~ pag SO) Estas 1728 calorias serian capaces de aumen-

Fig 36 tar la temperatura del cashylentador a 1728degC Claro que

esta t~mperatura no se alcanza porque la Inayor parte de la enershygia calorifica se consume en alterar termicamente el contenido en conduccion y en irradiacion Por esto sucede frecuentemente que aparaios disenados para calentar ~apidamente liqu~dos se funshyden al conectarlos en seco con la corrlente

La figura 37 nos muestra el esquema de una instalacion de cashylefaccion en que se utilizan para vurias telUperaturas dos voltaJes distintos

Como se ve en Ia figura el dispositivo entero de cashylefaccion consta de dos elementos cada uno es un reostato individuaL Cmindo se quiere calentar

a la temperatura mas alta rm(It~la mO)(lmQposible se coneeta por medio de un interrupt~r especial a cada uno de los elementos el voltaje dispo nible digamos 110 voltios Si se quiere calentar con 1tI1PCTtVO mp(Tcr

una temperatura lUedia se deja uno de los reps tatos sin corriente y se Ie da solo al otro la tension de 110 voltios Por fin pue- igtml~ta i~ima de obtenerse tambiert una

temperatura baja en esshytecaso por medio del Fig 37

- 37

Un ejemplo sencillo 10 muestra el esquema de la figura 35 que debido a su sencillez no necesit~ explicacion Un poco mas complishycado es el esquema de la figura 36 que cor-responde a una parrilla de tres temperaturas Se ve que en el interior de 18 parrilla tenemos dos reostatos distintos Uno consume pe 200 vatios conectandolo con una linea de no voltios y tiene una resistencia de 60S ohmios (R = E2 P) el otro en el dibujo mas grueso tiene una potencia doble una resistericia unicamente de 3025 ohmios En el exterior del aparato se encuentran tres bornes como 5e ve en la figura Entrela linea y el aparato 5e encuentra un interruptor especial Si el aparato no esta en uso el borne 1 al cual estan conectados dos extremos de ambos reostatos esta en coneccion con un polo de la linea Para utilizar el aparato con el interruptor 5e puede unir al otro polo de la linea con el borne 3 (en circuito 200 vaUos) 0 con el borne 2 (en circuito 400 vatios) 0 con los bornes 2 y 3 a la vez (en chcuito 600 vashy

tios)Asi tenemos la posibishylidad de conseguir 3 tempeshyraturas distintas Supongashymos que nuestro aparato tiene una capacidad calor shyfica de 01 ed para subir en l oC su temperatura se necesita 01 caloria Los 200 vatios del primer caso proshyducen en una hora 200 vashytios-hora 0 sea 720 000 joushylios que son iguales a 1728+ calorlas (vease primera parte pag 50) Estas 1728 calorias serian capacesde aumenshy


esta temperatura no se alcanza porque la luayor parte de la enershygla calorifica se consume en alterar termicamente el contenido en conduccion y en irradiacion Por esto sucede frecuentemente que aparatos disefiados para calentar rapidamente liquidos se funshyden al conectarlos en seco con la corriente

La figura 37 nos muestra el esquema de una instalacion de cashylefaccion en que seutilizan para vurias temperaturas dos voltajes distintos

Como se ve en la figura el dispositivo entero de cashylefaccion consta de dos elementos cada uno es un reostato individuaL Cuando se quiere calentar

a la temperatura mas alta posible se conecta por medio de un interruptor especial a cada uno de los elementos el voltaje disposhynible digamos 110 voltios Si se quiere calentar con una temperatura media se deja uno de los reostatos sin corriente y se Ie da solo al otro la tension de 110 voltios Por fin pueshyde obtenerse tambien una temperatura baja en esshyte caso por medio del Fig 37

-38shy

mismo interrupt~r se conectanlos dos elementos en aerie y se pone a tension alos dos extremos de auerte que cada uno de los reosta tos recibe ahora 55 voltios

Ordinariamente todos estos aparatos funcionan indistintashymente con cualquier corriente bien sea altema 0 continua

Un aparato accesorio muy interesante es el regulador de temshyperatura cuyo esquema vemos en la figura 38 (parte baja)

Consta de un recipienshyte con aire que se encuenmiddot tr a par dentro del sistema cuya temperatura hay que mantener constante Sushypongamos ahora que la temperatura de este sisteshyma sea muy alta entonshyces el aire se dilata y baja el nivel del Mercurio Lleshygara un momento que esshyte mercurio baje tanto que el alambre A ya no esta en contacto con el En este caso la corriente que alimenta el dispositishyva calentador queda inteshyrrumpida y nuestro sisteshyma se enfriari porconsishyguiente el nivel del mershycurio vuelve a subir otra vez se forma contacto enshytre A ycl mercurio ae nuevo se caiienta el sisteshyma etc etc Estos aparashy

tos tienen una instalacion especial que permite siemshypre graduar el nivel del Hg 10lt0 of caler

de tal manera que la temshyperatura en el sistema este constantemente a un Fig 38 valor determinado

La fig 38 muestra el mismo aparato para regular la tempeshyratura minima (parte alta)

Por ultimo mostramos fotograflas de unos aparatos usados en casas y cocinas (veanse pags 39y 40)

-11 shy

sulfato de plomo EI plomo metalico es nulivalente no tiene carga eshyledrica pero el mismo plomo apareee en el sulfato como ion Pb+ + adquiriendo pues doscargas positivl8 ed se debe haber efectuado una oxidacion

Sacando 0 mejor dicho segregando de unasoluci6ri de nitrOlto de plata plata metaliea procedimiento que hemos estudiado con de~ tenimiento enIa primera parte efeetuamos una reduecion puesto que la plata en la solucion existe en torma del ion Ag+ Esta carga positiva se la quitamos(la neutralizamos con electricidad negati shyva) haciendo pues una reducei6n

Esto nos ayuda a entender una regia fundamenta~ En la ellcshytrolisis e polo negativo es siempre el polo de redultcion yel polo poshysitivo es siempre el polo de oxidacion Con esto no hacemos sino reshyp~tir con otras palabras 10 que aprendimos en la primera p~rte bull El polo negativo en la electrolisis desplende electrories y atrae lones positivos neutraliza las cargas positivas de aquelloa iones reduce pues E1 poio positivo atrae electrones los quita a los iones nega- tivas que van hacia 1 pero quitarlea un cuerpo earganegativa es 10 mismo que enriqueeerio en cargapositiva y poresto elpolo positivo es siempre polo de oxidacian

Conviene mostrar esto en un ejemplo qUE mas tarde vamos a estudiar detenidamente Si sumergimos en unasolucion(acida) de sulfato de cobre dos variJlas de cobre como electrodosdel sulfato en soludan Van al polo positivoiosiones S04 Estos iones (prescindienshydo de una reaccian secundaria de poca importancia) secombinan con el cobre del polo positivo convirtiimdolo en sulfato de cobre CUS04 Ahorala sal cantiene ese mismo cobre en forma de ion Cu++ mientras que antes el cobrA era nulivalente no tenia carga EI cobre se oxido Como el sulfato decobre se disuclve en Ill soludan dada (e lectroUto) el polo positivo mermarn y por fin desaparecera por ccgtmpleto

En cambio el polo negativo atrae lOll iones positivos de Ii solushycion que son los de cobre Las doa cargas positivas del ion Cu + + se neutralizan el cobre pasa del estadoionico al estado atomico 0 sea en el polo negativo se scgrega cobre metitlico elemental (reducdon) Por consiguiente el polo negativo aumentara continuamente de tashymano

La cantidad de cobre segregado en el polo negativo (quees la misma disuelta en el polo positivo) se determina como recordashymos segunel amperaje y Ill duracion del experimento yamiddotque 1 cou- lombio segrega 03294 mg de cobre de una solucion que contenga cobre bivalente La tensian del expenmento ES funci6n de Ill afini- dad que existe entre los iones positivos de cobre y 108 iones negativos de 804 es distinta para distintas sales(u otros electrolitos)ysu valor minimo tiene el nombre de tension de descomposicioriEn

nuestro caso que tiene una aplicaci6n practica importantlsima se trabaja por 10 general con unos 02 voltios

- b) Fabi-icacion de NaOH

Si se haee pas~r porunasolucion ~cuosa de cl~r~rode sodio una corriente continua se segrega el gas cloro en el polo positivo y el soshydio en el polo negativo pero este sodio sigue reaccionando conel agua de Ia solucian formando hidroxido de sodio y desprendiendohidroge- no Con otras palabras la electrolisis de cloruro de Bodio en ~gua da loselementos del acido clorhldrico y una solucion de sosa caustica

NaCI+HzO lt+corriente electrica) = NaOH +H+ CI Esta ecuaclan es el fundamento de una industria electroquimlshy

ca muy importa]1te de esta manera 8e producen hoy las cantidades ~ - f~

bull

- 12



Fig 16




-13 shy



(

c Galvalnotecnia

























15




2 Electrometalurgia









15





2 Electrometalurgia










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Planta

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20


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Fig 21



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Fig 22

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b) Ozono








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Fig 23


c) Carburode Calcio



I

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Fig 23





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CaO + 3 C = CaC2 + CO - 107 cal



Fig 24






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- 27shy










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ArauIl_middot-++-k


Fig 26

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29














de N02

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Fig 32


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Fig 33







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Fig 33







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Fig 16




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c Galvalnotecnia

























15




2 Electrometalurgia









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2 Electrometalurgia










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c) Carburode Calcio



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Fig 26

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2 Electrometalurgia









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2 Electrometalurgia










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Fig 26

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2 Electrometalurgia









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2 Electrometalurgia










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CaO + 3 C = CaC2 + CO - 107 cal



Fig 24






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Fig 26

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Fig 32


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2 Electrometalurgia










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c) Carburode Calcio



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Fig 26

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Fig 32


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c) Carburode Calcio



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c) Carburode Calcio



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