La batería de ácido-plomo que inicia la mayoría de los motores de los automóviles consigue alrededor del 80 por ciento de su tensión de la relatividad, de acuerdo a un trabajo teórico en la revista Physical Review Letters del 7 de enero. El efecto relativista viene del rápido movimiento de los electrones en el átomo de plomo. Las simulaciones por ordenador también explican por qué las baterías ácido- estaño no funcionan, a pesar de las similitudes evidentes entre el estaño y el plomo.
Los electrones normalmente órbitan sus átomos a velocidades mucho menores que la velocidad de la luz, por lo que los efectos relativistas en gran medida pueden ser ignorados cuando se describen las propiedades atómicas. Pero notables excepciones incluyen a los elementos más pesados de la tabla periódica. Sus electrones deben orbitar a velocidades cercanas a la de la luz para contrarrestar la fuerte atracción de sus grandes núcleos. De acuerdo a la relatividad, estos electrones de alta energía actúan de alguna manera como si tuvieran una mayor masa, por lo que sus orbitales deben reducirse de tamaño en comparación con los lentos electrones para mantener el mismo momento angular. Esta contracción, la cual es más pronunciada en los esféricamente simétricos orbitales-s- de los elementos pesados, explica por qué el oro tiene un tono amarillento y por qué el mercurio es líquido a temperatura ambiente.
nada escapa de Einstein, las baterías de los carros tendrían un más bajo voltaje sino fuera por los efectos de la relatividad en el átomo de plomo según un nuevo estudio.Crédito.Scott Wade
Trabajos previos han estudiado los efectos relativistas sobre la estructura de cristal del plomo, pero poca investigación se ha hecho sobre las propiedades químicas de este elemento pesado. Así Rajeev Ahuja de la Universidad de Uppsala en Suecia y sus colegas decidieron estudiar la forma más ubicua de la química del plomo: la batería de ácido-plomo. Esta tecnología de 150 años se basa en células que consisten en dos placas – hechas de plomo y dióxido de plomo (PbO2) - inmersas en ácido sulfúrico (H 2 SO4). El plomo libera electrones para convertirse en sulfato de plomo (PbSO4), mientras que el dióxido de plomo gana electrones y también se convierte en sulfato de plomo. La combinación de estas dos reacciones resulta en una diferencia de voltaje de 2.1 voltios entre las dos placas de una célula.
Aunque los modelos teóricos de la batería de ácido-plomo ya existen, Ahuja y sus colaboradores son los primeros en obtener uno de los principios de la física fundamental. Para encontrar el voltaje de la célula, el equipo calculó la diferencia de energía entre las configuraciones electrónicas de los reactivos y los productos. Al igual que con los problemas de los libros de texto de física con la participación de bolas rodando cuesta abajo, no era necesario simular los detalles de los estados intermedios, siempre y cuando las energías inicial y final se pudieran calcular.
"La parte realmente difícil es simular el electrolito de ácido sulfúrico", dice el miembro del equipo Pekka Pyykkö de la Universidad de Helsinki. Para evitarlo, los investigadores imaginaron que la reacción no se iniciaba con el ácido, sino con la creación del ácido desde el SO3, lo cual es más fácil de simular. Al final restaron la energía para la creación del ácido (conocida a partir de mediciones anteriores) del total. Al conmutar las piezas relativista de los modelos en "on" y "off" el equipo encontró que la relatividad es responsable aproximadamente por 1,7 voltios de una sola célula, lo que significa que aproximadamente 10 de los 12 volts en una batería de coche provienen de los efectos relativistas.
Sin la relatividad, los autores argumentan, el plomo actuaría más como el estaño, estando el plomo por encima del estaño en la tabla periódica y el cual tiene el mismo número de electrones (cuatro) en sus ultraperiféricos orbitales s y p. Pero el núcleo del estaño tiene sólo 50 protones, en comparación con los 82 del plomo, por lo que la contracción relativista del orbital (s) ultraperiférico del estaño es mucho menor. Simulaciones adicionales demostraron que una hipotética batería ácido-estaño produciría insuficiente voltaje para ser práctica, porque el dióxido de estaño no atrae a los electrones con suficiente intensidad. El orbital (s) comparativamente flojo o difuso del estaño no proporciona tanta profundidad y energía para los electrones como el plomo lo hace, el equipo encontró. En el pasado, los investigadores sólo tenían una comprensión cualitativa de las razones por las cuales las baterías de ácido de estaño, nunca funcionaron.
Ram Seshadri, de la Universidad de California en Santa Barbara, dice que los efectos relativistas se esperaban, pero no tenía idea de que serían tan dominantes. "Sobre el alcance de la obra, la capacidad de simular de forma fiable un dispositivo tan complejo como una batería de ácido-plomo desde (casi) sus primeros principios, incluyendo todos los efectos relativistas, es un triunfo de modelado," dice Seshadri.
leer el estudio AQUÏ
fuente de la información:
http://focus.aps.org/story/v27/st2
