Física Desnuda

Desnudando el potencial químico y la pila de Volta

Cuando uno admira una antígua pila de Volta, con sus discos de metal apilados, oxidados en un montón muy poco espectacular, puede preguntarse: ¿Cómo es posible que este trasto funcione?

La respuesta, esta vez, esta lejos, muy lejos de ser sencilla, tan lejos que hay que internarse en el denso y oscuro bosque de la mecánica cuántica y la física estadística… Sin embargo, haremos un rodeo, dejemos el masoquismo para los que han (hemos) decidido perderse en el bosque y volvieron, maltrechos, para contarlo.

Si tuviese que visualizar de qué trata la física cuántica, podría imaginarme una fotografía impresa en el periódico. Así es. La admiramos, sí, vemos la calva del idiota que ocupe esta mañana la portada. Pero si nos acercamos la página a los ojos, la imágen empieza a difuminarse, podemos observar que lo que antes eran colores definidos no son más que puntos muy juntos que vistos con la suficiente distancia conforman la imágen. La física cuántica trata lo pequeño, lo más pequeño, aquello que es tan ínfimo que para nosotros es indistinguible. Lo que es sólido y tangible está compuesto de partes diferenciadas y etéreas, pero dispuestas con un misterioso orden, que es el meollo del asunto. La forma y el orden de la materia y la energía están determinados a ciertos valores posibles, no todas las configuraciones son posibles, solo las que las ordenan como los puntos de tinta en el papel a nivel cuántico.

Imaginemos un electrón, como los de los libros, simpáticos y esféricos, dando vueltas alrededor de un átomo. Ahora desterremos esta imágen. En el mundo cuántico, las partículas ya no son esferitas sólidas, son distrubuciones específicas de la energía,  determinadas por la ecuación de Shrödinger. Así pues, una partícula, como el electrón, no puede tomar cualquier forma, estado o energía, tan solo las permitidas, las cuantizadas. El cómo estas formas permitidas se describen como funciones de onda de una distribución de probabilidad es harina de otro artículo, por ahora nos contentamos con entender que los electrones pueden tomar solamente unos valores de energía determinados.

A continuación, volvamos al átomo. Los electrones que están contenidos en él se econtrarán distribuídos en función de su energía: más energía, más lejos del núcleo y más sencillo es que lo abandonen. Como dijimos antes, los electrones solo pueden existir con energías determinadas, y eso se suele esquematizar con un diagrama de niveles, donde la banda inferior es la de menor energía, cercana al núcleo, y la superior la de mayor.

 

La distribución de los electrones en los niveles no es algo trivial. ¿Puede haber varios en un mismo nivel? La respuesta, en este caso particular, es afirmativa, sin embargo, para entenderlo hay que introducir el concepto del pricipio de exclusión de Pauli.

Podemos decir que existen dos tipos de partículas subatómicas, los bosones y los fermiones. Para los curiosos, los bosones tienen spin entero y los fermiones, semientero, siendo el spin una propiedad intrínseca a las partículas con momento angular. El principio de exclusión afirma que no pueden existir dos fermiones con función de onda idéntica en el mismo estado cuántico, es decir, con la misma energía. Aclarando todo esto, si tenemos fermiones, no podremos observar dos de ellos en el mismo nivel, al contrario que con los bosones, como en el dibujo:

bosoferm

En el caso de los electrones, estos pueden poseer spin 1/2 o -1/2, por tanto dos electrones idénticos podrán estar en el mismo estado, aun siendo fermiones, pero dos y solamente dos:

zsdgsdfg

Tras este larguísimo prolegómeno, ahora estamos en condiciones de comprender cómo funciona la pila de Volta. Pongamos sobre la mesa un disco de zinc y otro de cobre. ¿Por qué escogemos esto metales? Porque tiene el mismo número de niveles energéticos, sin embargo, la población de electrones en el último es muy diferente: el zinc posee 12 electrones en la última capa, o capa de valencia, y el cobre solo uno. En un diagrama simplificado, obviando el spin, los fermiones de ambos elementos se colocan así:

zincuyglg

Podemos observar que el zinc ha de ocupar muchos más niveles debido a que solo un fermión puede ocupar cáda nivel, esto fuerza a los electrones a poblar niveles muy energéticos y muy fácimente excitables. Esto provoca, a grosso modo, la existencia de un potencial químico.

Los electrones más energéticos del zinc tienden a moverse hacia los átomos del cobre, con muchos niveles poco energéticos disponibles, es decir, existe un potencial entre ambos átomos inherente a su composición natural. La naturaleza tiende a buscar el estado de mínima energía, así pues, en un sistema compuesto por un átomo de cobre y otro de zinc, la disposición que minimiza la energía es la cual en la que el zinc dona electrones al cobre, y estos pierden energía al bajar de nivel.

En la pila de volta, este proceso es repetido y aumentado al colocar en serie discos de cobre y zinc, de manera que el flujo de electrones entre el cobre y el zinc va aumentando en intensidad hasta que se produce una acumulación de ellos en lso extremos de la pila, obteniendo así la buscada diferencia de potencial eléctrico que la hace funcionar.

 

Fotos:

 

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