La relatividad alimenta la batería de tu coche

Einstein por Scott WadeNo tienes que ir en una nave casi a la velocidad de la luz para ver los efectos de la relatividad – pueden surgir incluso en un automóvil que se desplace lentamente. Las baterías de plomo-ácido que arrancan la mayor parte de los motores de los vehículos obtienen aproximadamente el 80 por ciento de su voltaje a partir de la relatividad, de acuerdo con un trabajo teórico publicado el 7 de enero en la revista Physical Review Letters. El efecto relativista proviene de los electrones de movimiento rápido en los átomos de plomo. Las simulaciones por ordenador también explican por qué las baterías de estaño-ácido no funcionan así, a pesar de las aparentes similitudes entre el estaño y el plomo.

Los electrones normalmente orbitan sus átomos a velocidades mucho menores que la de la luz, por lo que los efectos relativistas pueden ignorarse en gran parte cuando se describen las propiedades atómicas. Pero notables excepciones incluyen los elementos más pesados de la tabla periódica. Los electrones deben obitar casi a la velocidad de la luz para contrarrestar la potente atracción de su gran núcleo. De acuerdo con la relatividad, estos electrones de alta energía actúan en cierta forma como si pensaran que tienen una masa mayor, por lo que sus orbitales deben disminuir de tamaño en comparación con los electrones más lentos, para mantener el mismo momento angular. Esta contracción, que es más pronunciada en los orbitales s de simetría esférica de los elementos pesados, explican por qué el oro tiene un tono amarillento y el mercurio es líquido a temperatura ambiente1.

Trabajos anteriores han estudiado los efectos relativistas de la estructura cristalina del plomo, pero se ha realizado poca investigación sobre las propiedades químicas de estos elementos químicos. Por lo que Rajeev Ahuja de la Universidad de Uppsala en Suecia y sus colegas decidieron investigar la forma más ubicua de la química del plomo: las baterías de plomo-ácido. Esta tecnología de 150 años de antigüedad está basada en células que constan de dos placas – hechas de dióxido de plomo (PbO2) – inmersas en ácido sulfúrico (H2SO4). El plomo libera electrones para convertirse en sulfato de plomo (PbSO4), mientras el dióxido de plomo gana electrones y también se convierte en sulfato de plomo. La combinación de estas dos reacciones da como resultado una diferencia de voltaje de 2,1 voltios entre las dos placas.

Aunque ya existen modelos teóricos sobre las baterías de plomo-ácido, Ahuja y sus colaboradores son los primeros en derivar uno a partir de los principios fundamentales de la física. Para hallar el voltaje de la célula, el equipo calculó la diferencia de energía entre las configuraciones electrónicas de los reactivos y los productos. Como en un problema de un libro de texto de física que implica bolas rodando colina abajo, no hubo necesidad de simular los detalles de los estados intermedios, siempre que pudiesen calcularse las energías inicial y final.

“La parte verdaderamente difícil es simular el electrolito del ácido sulfúrico”, dice el miembro del equipo Pekka Pyykkö de la Universidad de Helsinki. Para evitarlo, los investigadores imaginaron que la reacción empezó no con el ácido, sino con la creación del ácido a partir de SO3, que es más fácil de simular. Y luego restaron la energía para la creación del ácido (conocida por medidas anteriores) del total. “Encendiendo” y “apagando” las partes relativistas de los modelos, el equipo encontró que la relatividad da cuenta de 1,7 voltios en cada célula, lo que significa que 10 de los 12 voltios de la batería de un coche proceden de efectos relativistas.

Sin relatividad, defienden los autores, el plomo actuaría como el estaño, que está justo por encima en la tabla periódica y que tiene el mismo número de electrones (cuatro) en sus orbitales p y s más externos. Pero en el núcleo del estaño sólo hay 50 protones, en comparación con los 82 del plomo, por lo que la contracción relativista del orbital s más externo es mucho menor. Simulaciones adicionales demostraron que una hipotética batería de estaño-ácido produciría un voltaje insuficiente para que fuese práctica, debido a que el dióxido de estaño no atrae con suficiente fuerza a los electrones. El relativamente alejado orbital s del estaño no proporciona un pozo de energía bastante profundo para los electrones comparado con el plomo, según encontró el equipo. En el pasado, los investigadores sólo habían encontrado una comprensión cualitativa de por qué las baterías de estaño-ácido no funcionaban.

Ram Seshadri de la Universidad de California en Santa Barbara dice que se esperaba que hubiese efectos relativistas, pero no que fuesen tan predominantes. “En el ámbito del trabajo, la capacidad para simular con fiabilidad un dispositivo tan complejo como una batería de plomo-ácido a partir de (casi) sus principios básicos, incluyendo todos los efectos relativistas, es un triunfo del modelado”, comenta Seshadri.


Referencias:
[1] P. Pyykkö, “Relativistic Quantum Chemistry,” Adv. Quantum Chem. 11, 353 (1978). For less technical explanations, see the additional information links below.

Autor: Michael Schirber
Fecha Original: 14 de enero de 2010
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Comments (13)

  1. Información Bitacoras.com…

    Valora en Bitacoras.com: No tienes que ir en una nave casi a la velocidad de la luz para ver los efectos de la relatividad – pueden surgir incluso en un automóvil que se desplace lentamente. Las baterías de plomo-ácido que arrancan la mayor parte de …..

  2. [...] This post was mentioned on Twitter by Angel Sánchez and others. Angel Sánchez said: La relatividad alimenta la batería de tu coche http://bit.ly/fuxnt5 #Ciencia [...]

  3. anonimo

    “De acuerdo con la relatividad, estos electrones de alta energía actúan en cierta forma como si pensaran que tienen una masa mayor, por lo que sus orbitales deben disminuir de tamaño en comparación con los electrones más lentos, para mantener el mismo momento angular.”

    Explícame eso.

    • Javi

      Cuando un objeto se mueve a altas velocidades, su masa efectiva aumenta y es siempre mayor que su masa en reposo. Para que te hagas una idea, un objeto que se mueva tiene energía cinética y dicha energía “pesa”. Es a todos los efectos equivalente a un incremento en su masa.

    • kinto

      Anonimo,según la Teoría de la Relatividad E=mc2.

      Para acelerar partículas a velocidades cada vez más próximas a la velocidad de la luz necesitamos energías cada vez más altas.Es decir,si tenemos un electrón viajando,por ejemplo, a 250.000Km/s, y queremos acelerarlo hasta 251.000Km/s, necesitaremos emplear una energía X.Pero si ahora queremos acelerar dicho electrón desde 251 a 252.000Km/s necesitaremos una energía mayor que X.¿Por qué?,pues porque Einstein lo dijo.Una forma de visualizarlo sería imaginar que esa partícula tiene más masa,con lo que cuesta más acelerarla porque “pesa más”(de ahí lo de “actúan como si pensaran que tienen una masa mayor”).

      Ahora bien, para mantener el mismo momento angular, si “tenemos más masa”, necesitamos reducir el “radio” orbital del electrón para contrarrestar ese “aumento de masa” y conservar así dicho momento.En mecánica clásica (no relativista, pero es una forma intuitiva de verlo) el momento angular es el producto vectorial de dicho radio con la masa y velocidad de la partícula.

      Seguramente me odies y desprecies profundamente después de este lioso y posiblemente nada aclaratorio comentario,pero tal vez te ayude a hacerte una idea de por donde van los tiros.

      PD:Si alguien se siente terriblemente ofendido en vista de esta patética explicación que no dude en insultarme.

      Saludos

      • OzzyBulla

        Al contrario; creo que fue muy elegante y clara. Solamente quisiera hacer un poco más intuitiva la explicación sobre el momento angular, si se me permite:
        Si tomas un peso y lo atas a una cuerda y lo giras como lo hace el lanzador de martillo o David con su honda, notarás que que la cuerda ejerce una fuerza en tu mano, que debes conocer como fuerza centrífuga.
        Esa fuerza es el momento angular y en función de tres cosas:
        1.- La masa en la punta de la cuerda
        2.- El largo de la cuerda
        3.- La velocidad medida en ciclos (cuantas vueltas por minuto)
        Te darás cuenta que si le das mas cuerda, a tu sistema, al alejarse el peso atado en la punta, éste empezará a girar mas lento: quiere conservar el momento angular, ya que si mantuviera las RPM la fuerza en la cuerda aumentaría al hacerse mas grande la órbita. Lo mismo ocurriría si el peso aumentara. Esto es lo que ocurre con el electrón cuando se acerca a la velocidad de la luz.
        Entonces: como el núcleo del plomo tiene muchos protones, ejerce demasiada atracción sobre los electrones de la corona – los electrones deben girar mas rápido para no caer hacia el núcleo (aumentar su momento angular) – como aceleran demasiado y se acercan a la velocidad de la luz, se hacen mas pesados (aumento extra al momento angular) – para no escapar del átomo, los electrones achican su órbita para reducir el momento angular y encontrar el equilibrio entre atracción electromagnética y fuerza centrífuga.

      • Gerardo

        #$%@! **&%$##!!!

  4. Esta era una pregunta que me hacìa siempre, el ¿porquè las baterìas son mejor de plomo y no de otro material?, hasta pensè en realizar alguna investigaciòn con el plomo a fìn de poder obtener alguna informaciòn concreta, pero en este artìculo he podido aclarar mis dudas al respeto.
    La mejor explicaciòn la ha dado Ozzy, kinto hizo muy buena exposiciòn, pero no logrò convencerme del todo.
    Dadas estas explicaciones, se deduce que mientras màs elevado es el nùmero de protones en el nucleo, mayor es la posibilidad de que los electrones implicados en alguna reacciòn viajen a una velocidad relativista, pero fundamentalmente los electrones ubicados en los niveles màs exteriores, segùn su configuraciòn electrònica.

  5. OzzyBulla

    Se agradece Carlos, pero no intentaba competir con nadie. Creo que la explicación de Kinto es contundente. Simplemente mi hijo acaba de pasar la ley de conservación del momento angular y tengo fresca la forma de explicarlo de manera intuitiva. De hecho, ambos nos hemos saltado la definición misma de momento angular ya que no es necesaria para comprender lo que ocurre en los plomos.

  6. Daxx

    Hola, esta bien explicado que ocurre a nivel atomico en el plomo , pero; como se generan esos 1,7 V adicionales gracias a este fenomeno?

    • OzzyBulla

      Por la capacidad del plomo de atraer electrones (ionizar) debido a estas órbitas comprimidas y aceleradas, así estos átomos “tragana” los electrones con mucha mas energía.

  7. Carlus

    Si al final teoría cuántica y relatividad se acabarán uniendo. Espero que pronto, porqué aunqué ninguna sea intuitiva, la relatividad parte de una geometría no Euclidiana, pero geometría, y la teoría cuántica, con tantísimos aciertos, como la innegable cuantización de la energía, recurre a la probabilidad debido a la incertidumbre, generándose demasiadas fantasías. Es un comentario intuitivo, espero que nadie se enfade.

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