Por qué las baterías mantienen un potencial casi constante hasta que se descargan del todo de forma brusca

Dibujo20130303 nernst potential surface - wet galvanic cell

El término logarítmico en la ecuación de Nernst de la electroquímica permite entender por qué el voltaje de una batería se mantiene casi constante mientras se descarga y cae rápidamente al final (de ahí que muchos tengan miedo a ver el mensaje “batería baja” en un dispositivo electrónico pues indica que muy pronto dejará de funcionar). Para una pila galvánica con electrodos de hierro como cátodo, Fe3+ + e ⇄ Fe2+ (E0=0,770 V), y electrodo de cobre como ánodo, Cu2+ + e ⇄ Cu+ (E0=0,158 V), el potencial de Nernst en el cátodo es E=E0+α ln (AFe3+/AFe2+), y en el ánodo E=E0+α ln (ACu2+/ACu+); como muestra la figura (para el cátodo), la presencia del logaritmo hace que el valor de E (potencial del electrodo expresado en voltios) sea casi igual a E0 (potencial normalizado del electrodo) salvo en los momentos finales de la descarga. El valor de la constante es α=RT/(nF), donde R es la constante universal de los gases, T es la temperatura absoluta en Kelvin, n es la cantidad de electrones transferidos en la reacción, F es la constante de Faraday. Nos lo cuenta Garon C. Smith, Md. Mainul Hossain, Patrick MacCarthy, “Why Batteries Deliver a Fairly Constant Voltage until Dead,” Journal of Chemical Education 89: 1416−1420, 2012.

Dibujo20130303 logarithmic-grid nernst surface with maximum activity

Muchas veces en un primer curso de Química se ilustra la ecuación de Nernst con ejes en escala logarítmica. Como muestra esta figura, en dicho caso no se ve clara la razón del porqué las baterías mantienen su diferencia de potencial casi constante.

Dibujo20130303 diagram mercury oxide dry cell battery - chemical reactions two-step process each electrode

Dibujo20130303 chemical reactions mercury oxide dry cell battery

Los potenciales de Nernst para pilas de tipo botón (baterías de zinc-óxido de mercurio) o para las baterías de iones de litio son muy similares, por lo que el fenómeno también se da en estas baterías. Esta figura ilustra las reacciones químicas en una pila de tipo botón, a las que se puede aplicar directamente la ecuación de Nernst.

Esta entrada participa en el XXIII Carnaval de la Química alojado en el blog molesybits. Si quieres contribuir, recuerda que el plazo para la presentación de entradas participantes comienza el 4 de marzo y finaliza el 4 de mayo. El tema de las entradas participantes es libre, siempre y cuando tenga relación con las Ciencias Químicas.

7 pensamientos en “Por qué las baterías mantienen un potencial casi constante hasta que se descargan del todo de forma brusca

  1. ¡Muy buena entrada! Te felicito, me parece muy original relacionar la duración de una batería con la ecuación de Nernst.

  2. La ecuación de Nernst también se usa para calcular el potencial de los iones de las membranas biológicas. Es muy importante en neurofisiología.

  3. Hola, me parece que la imagen de la pila que abre esta entrada corresponde al proceso de recarga de la pila, no a su descarga, ya que el proceso espontáneo que observaríamos sería el de oxidación del hierro y reducción del cobre (por tener la semireacción de reducción de éste un potencial de reducción estándar más elevado). Cuando la pila sea recargada a través de una fuente de corriente externa, entonces los papeles de ánodo y cátodo se invierten y son los que ilustra el dibujo. Creo. En cualquier caso el post ilustra igualmente bien el caso del que se ocupaba. Gracias como siempre por tu trabajo.

    • Fíjate que es la oxidación de Cu+ a Cu2+ que tiene un potencial de reducción Cu2+ + e- —> Cu+ de +0,16 V mientras que el de Fe3+ + e- —> Fe2+ es +0.77 V asi que el Cu+ reduce al Fe3+.

  4. Una fruslería: “n es la cantidad de electrones transferidos en la reacción”, expresada en moles, no en cuatrillones.

    • Estoy muy mal de lo mío y me expreso fatal. Quería decir que n es la cantidad de electrones transferidos en la reacción tal y como se escribe (donde cada número que precede a una especie, una vez ajustada la reacción, representa los moles que intervienen). No sólo eso, n es un número adimensional llamado número de carga de la reacción de la pila. En el caso de la ilustración n=2.

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