Pila voltaica

La pila voltaica fue la primera batería eléctrica que pudo suministrar continuamente una corriente eléctrica a un circuito. Fue inventada por el físico italiano Alessandro Volta, quien publicó sus experimentos en 1799.

El desarrollo de la pila voltaica permitió rápidamente realizar experimentos que llevaron a otros descubrimientos incluyendo la descomposición eléctrica (electrólisis) del agua en oxígeno e hidrógeno por William Nicholson y Anthony Carlisle (1800) y el descubrimiento o aislamiento de los elementos químicos sodio (1807), potasio (1807), calcio (1808), boro (1808), bario (1808), estroncio (1808), y magnesio (1808) por Humphry Davy.

Infografia pila voltaica

Toda la industria eléctrica del siglo XIX estaba alimentada por baterías relacionadas con las desarrolladas por Volta (por ejemplo, la célula Daniell y la célula Grove) hasta la llegada de la dinamo (generador eléctrico) en la década de 1870.

El invento de Volta fue construido a partir del descubrimiento que Luigi Galvani hizo en la década de 1780 de cómo un circuito de dos metales y una pata de rana podían hacer que la pata de rana respondiera. Volta demostró en 1794 que cuando dos metales y tela o cartón empapados en salmuera dispuestos en un circuito, producen una corriente eléctrica.

En 1800, Volta apiló varios pares de discos de cobre (o plata) y zinc (electrodos) alternados separados por tela o cartón empapado en salmuera (electrolito) para aumentar la conductividad del electrolito. Cuando los contactos superior e inferior estaban conectados por un cable, una corriente eléctrica fluía a través de la pila voltaica y el cable de conexión.

Historia de la pila voltaica

Reproducción de la pila voltaica, la primera batería eléctrica inventada por Alessandro Volta en 1800. La base y la parte superior son de madera. Entre la base y la parte superior descansa un montón o pila de 46 celdas de cobre-zinc. Los electrodos utilizados para transferir la corriente eléctrica se encuentran en las celdas superior e inferior. Se coloca tela entre cada celda. La estructura vertical está soportada por cuatro pasadores
Reproducción de la pila voltaica, la primera batería eléctrica inventada por Alessandro Volta en 1800. La base y la parte superior son de madera. Entre la base y la parte superior descansa un montón o pila de 46 celdas de cobre-zinc. Los electrodos utilizados para transferir la corriente eléctrica se encuentran en las celdas superior e inferior. Se coloca tela entre cada celda. La estructura vertical está soportada por cuatro pasadores

En 1780, Luigi Galvani estaba diseccionando una rana fijada a un gancho de latón. Cuando tocó su pierna con su bisturí de hierro, la pierna se movió. Galvani creía que la energía que impulsó esta contracción provenía de la propia pierna, y la llamó “electricidad animal”.

Sin embargo, Alessandro Volta, un amigo y colega científico, no estuvo de acuerdo, y desarrollo la hipótesis que este fenómeno fue causado por dos metales diferentes unidos por un intermediario acuoso. Verificó esta hipótesis a través de experimentos y publicó los resultados en 1791.

En 1800, Volta inventó la primera batería verdadera, que llegó a conocerse como pila voltaica. La pila voltaica consistía en pares de discos de cobre y zinc apilados uno encima del otro, separados por una capa de tela o cartón empapado en salmuera (es decir, el electrolito).

Una pila voltaica en exhibición en el Tempio Voltiano (Templo de Volta) cerca de la casa de Volta en Como, Italia.
Una pila voltaica en exhibición en el Tempio Voltiano (Templo de Volta) cerca de la casa de Volta en Como, Italia.

A diferencia del frasco de Leyden, la pila voltaica producía una electricidad continua y una corriente estable, y perdía poca carga con el tiempo cuando no estaba en uso, aunque sus primeros modelos no podían producir un voltaje lo suficientemente fuerte como para producir chispas. Experimentó con varios metales y descubrió que el zinc y la plata daban los mejores resultados.

Tensión de contacto

Volta creía que la corriente era el resultado de dos materiales diferentes que simplemente se tocaban -una teoría científica obsoleta que fue conocida como tensión de contacto- y no el resultado de reacciones químicas. Como consecuencia, consideró la corrosión de las placas de zinc como un defecto no relacionado que tal vez podría ser corregido cambiando los materiales de alguna manera.

Sin embargo, ningún científico logró prevenir esta corrosión. De hecho, se observó que la corrosión era más rápida cuando se absorbía una corriente mayor. Esto sugirió que la corrosión era realmente parte integral de la capacidad de la batería para producir una corriente. Esto, en parte, llevó al rechazo de la teoría de la tensión de contacto de Volta a favor de la teoría electroquímica. Las ilustraciones de Volta de su Corona de Copas y de su pila voltaica tienen discos de metal extra, ahora conocidos por ser innecesarios, tanto en la parte superior como en la inferior.

Problemas de la pila voltaica

Los modelos de pila originales de Volta tenían algunos defectos técnicos, uno de los cuales era que el electrolito tenía fugas y causaba cortocircuitos debido al peso de los discos que comprimían el paño empapado en salmuera. Un escocés llamado William Cruickshank resolvió este problema colocando los elementos en una caja en lugar de apilarlos en una pila.

El propio Volta inventó una variante que consistía en una cadena de tazas llenas de una solución salina, unidas entre sí por arcos metálicos sumergidos en el líquido. Esto fue conocido como la Corona de Copas. Estos arcos estaban hechos de dos metales diferentes (por ejemplo, zinc y cobre) soldados entre sí. Este modelo también demostró ser más eficiente que sus pilas verticales originales, aunque no resultó ser tan popular.

Dibujo de la pila voltaica en diferentes configuraciones, extraída de la carta enviada por Alessandro Volta a Sir Joseph Banks
Dibujo de la pila voltaica en diferentes configuraciones, extraída de la carta enviada por Alessandro Volta a Sir Joseph Banks

Otro problema con las baterías de Volta era la corta duración de estas (una hora en el mejor de los casos), causada por dos fenómenos. La primera fue que la corriente producida electrolizaba la solución electrolítica, dando como resultado una película de burbujas de hidrógeno que se formaban en el cobre, lo que aumentaba constantemente la resistencia interna de la batería (este efecto, llamado polarización, se contrarresta en las celdas modernas con medidas adicionales).

El otro era un fenómeno llamado acción local, en el que se formaban diminutos cortocircuitos alrededor de las impurezas del zinc, lo que provocaba su degradación. Este último problema fue resuelto en 1835 por el inventor inglés William Sturgeon, quien encontró que el zinc amalgamado, cuya superficie había sido tratada con mercurio, no sufría de acción local.

A pesar de sus defectos, las baterías de Volta proporcionan una corriente más estable que los frascos de Leyden, e hicieron posible muchos experimentos y descubrimientos nuevos, como la primera electrólisis del agua por el cirujano inglés Anthony Carlisle y el químico inglés William Nicholson.

Aplicaciones de la pila voltaica

El 20 de marzo de 1800, Alessandro Volta escribió a la Royal Society de Londres para describir la técnica de producción de corriente eléctrica con su aparato y, al enterarse de la pila voltaica, William Nicholson y Anthony Carlisle la utilizaron para descubrir la electrólisis del agua.

Humphry Davy mostró que la fuerza electromotriz, que conduce la corriente eléctrica a través de un circuito que contiene una sola celda voltaica, fue causada por una reacción química, no por la diferencia de voltaje entre los dos metales. También utilizó la pila voltaica para descomponer productos químicos y para producir nuevos productos químicos. William Hyde Wollaston demostró que la electricidad procedente de pilas voltaicas tenía efectos idénticos a los de la electricidad producida por fricción. En 1802 Vasily Petrov utilizó pilotes voltaicos en el descubrimiento e investigación de los efectos del arco eléctrico.

Sir Humphry Davy y Andrew Crosse fueron de los primeros en construir grandes pilas voltaicas.  Davy utilizó una pila de 2000 pares fabricada para la Royal Institution en 1808 para demostrar la descarga de arco de carbono y aislar cinco nuevos elementos: bario, calcio, boro, estroncio y magnesio.

Electroquímica

Debido a que Volta creía que la fuerza electromotriz ocurría en el contacto entre los dos metales, los pilotes de Volta tenían un diseño diferente al diseño moderno. Sus pilas tenían un disco extra de cobre en la parte superior, en contacto con el zinc, y un disco extra de zinc en la parte inferior, en contacto con el cobre.

Expandiendo el trabajo de Volta y el trabajo de electromagnetismo de su mentor Humphry Davy, Michael Faraday utilizó imanes y la pila voltaica en sus experimentos con electricidad. Faraday creía que todas las “electricidades” que se estudiaban en ese momento (voltaicos, magnéticos, térmicos y animales) eran uno y el mismo. Su trabajo para probar esta teoría le llevó a proponer dos leyes de la electroquímica que estaban en conflicto directo con las creencias científicas actuales de la época, tal y como las había establecido Volta treinta años antes.

Debido a sus contribuciones a la comprensión de este campo de estudio, tanto Faraday como Volta son considerados como padres de la electroquímica. Las palabras “electrodo” y “electrolito”, que se utilizaron para describir el trabajo de Volta, se deben a Faraday.

Para más información Volta and the ‘Pile