baterias d e mercurio
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Qumica aplicada a la ing. Elctrica.
121312045
Hurtado Zamora Juan Carlos
UNIVERCIDAD NACIONAL DEL CALLAO
Facultad de ingeniera elctrica y electrnica
Bateras de Mercurio
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ndice:
Introduccin.................2
Objetivos4
Conceptos previos...........5
Tipo de bateras..7.
Bateras de mercurio9
Procesos Redox en la industria de pilas comerciales.23
Conclusiones..25
Recomendaciones..26
Bibliografa..30
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Bateras de mercurio
Introduccin:
Las bateras electroqumicas convierten la energa qumica en corriente
elctrica; existen muchos tipos de bateras, pero en general cada una de ellas
consta de dos polos o electrodos confeccionados con materiales distintos y
sumergidos en un lquido conductor, cuando los polos se conectan entre s
tiene lugar una reaccin qumica que genera electricidad. Existen muchos tipos
de bateras actualmente, pero la primera batera que apareci fue en 1800
creada por Alessandro Volta conocida como pila voltica; luego en 1886
Leclanch confeccion la pila seca que lleva su nombre y que an se usa en
nuestros das
Las bateras tienen diversos usos y aplicaciones, las secas se emplean
principalmente en aparatos elctricos porttiles, como receptores de radio, las
pilas de mercurio tienen una mejor duracin y se utilizan en marcapasos. En el
automvil se utiliza el acumulador que re recarga mediante un generador
accionado por el motor del vehculo. Actualmente se estn impulsando los
automviles elctricos, los cuales obtienen propulsin mediante bateras
elctricas que se recargan mientras el vehculo est estacionado, conectando
este a una red de suministro elctrico.
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Por ltimo, las bateras podran en un futuro no muy lejano, contribuir a
solucionar la crisis energtica mundial, por medio de la celda combustible y
otras que, seguramente, se desarrollaran e implementarn en nuestra vida
moderna.
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Objetivos:
Comprender el funcionamiento de una batera en trminos
electroqumicos, considerando las reacciones y los procesos que se
llevan a cabo en ellas, as como las condiciones necesarias para
que exista un transporte de electrones
Estudiar y comprender los principales tipos de bateras que existen:
su funcionamiento, su diseo y el principio electroqumico que las
gobierna
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LAS BATERAS
Conceptos previos:
Para poder comprender el funcionamiento de una batera es necesario
comprender ciertos trminos y familiarizarnos con ellos:
Reaccin redox: Se refiere a las reacciones de oxido-reduccin, donde un
compuesto se reduce y otro se oxida.
Celda electroqumica: Aparato donde se logra llevar una reaccin redox y del
cul se puede tomar energa debido a un flujo de electrones,
las hay de diversos tipos, y su funcionamiento es
aprovechado en las bateras.
Reduccin: Disminucin algebraica del nmero de oxidacin; puede
corresponder a una guanacia de electrones.
Oxidacin: Incremento algebrico del nmero de oxidacin; pudiendo
corresponder a una prdida de electrones.
Electrolito: Sustancia que en disolucin se disocia en iones con cargas
positivas y negativas que permiten el paso de corriente, en
las celdas electroqumicas se utiliza para permitir el
transporte de electrones entre el ctodo y el nodo.
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nodo: Electrodo en el cul se produce la oxidacin.
Ctodo: Electrodo en el cual se produce la reduccin.
Potencial estndar del electrodo (fem): Potenciales E, de las semireacciones
en forma de reducciones contra el electrodo de hidrgeno;
por convencin el potencial estndar E de una semireaccin
se refiere como la reduccin en relacin con el hidrgeno
estndar, cuando todas las especies estn presentes con
actividad unitaria. En una celda se refiere a la diferencia de
potencia entre las semiceldas estndar de reduccin y de
oxidacin.
Una batera es una celda electroqumica, o una serie de celdas electroqumicas
combinadas que pueden utilizarse como fuente de corriente elctrica directa a
un voltaje constante. Aunque la operacin de una batera es, en principio,
similar a la de una celda electroqumica, la batera tiene la ventaja de ser
totalmente independiente y no requiere aditamentos auxiliares (como puentes
salinos). Los tipos de bateras ms comunes son:
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Tipos de bateras:
La Batera de Celda Seca:
La celda seca, es decir una celda que no tiene un fluido en sus
componentes, ms comn es la celda de Leclanch, que se utiliza
en las lmparas porttiles y en los radios de transistores. El nodo
de la celda consta de una lata o contenedor de Zinc que est en
contacto con dixido de manganeso (MnO2) y un electrolito. El
electrolito consiste de cloruro de amonio y cloruro de zinc en agua, al
cual se le ha aadido almidn para que la disolucin adquiera una
consistencia pastosa espesa y no haya fugas. Como ctodo se
utiliza una barra de carbn que est inmersa en el electrolito en el
centro de la celda. Las reacciones de la celda son:
nodo: Zn(s) Zn2+
(ac) + 2e-
Ctodo: 2NH4+
(ac) + 2MnO2(s) + 2e- Mn2O3(s) + 2NH3(ac) + H2O(l)
Global: Zn(s) + 2NH4+
(ac) + 2MnO2(s) Zn2+
(ac) + 2NH3(ac) + H2O(l) + Mn2O3(s)
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En realidad, sta ecuacin es una simplificacin de un proceso ms
complejo. El voltaje que produce sta celda seca es de
aproximadamente 1.5V.
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La Batera de Mercurio:
La batera de mercurio se utiliza mucho en medicina y en la industria
electrnica y es ms costosa que la celda seca comn. Est
contenida en un cilindro de acero inoxidable, y consta de un nodo
de zinc (amalgamado con mercurio) que est en contacto con un
electrolito fuertemente alcalino que contiene xido de zonc y xido de
mercurio (II). Las reacciones de la celda son:
nodo: Zn(Hg) + 2OH-(ac) ZnO(s) + H2O(l) + 2e-
Ctodo: HgO(s) + H2O(l) + 2e- Hg(l) + 2OH
-(ac)
Global: Zn(Hg) + HgO(s) ZnO(s) + Hg(l)
Como no hay cambios en la composicin del electrolito durante la
operacin de la celda en la reaccin global de la celda tan slo
participan sustancias slidas- la batera de mercurio suministra un
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voltaje ms constante (1.35 V) que la celda de Leclanch. Tambin
tiene una capacidad considerablemente mayor y una vida ms
larga. Estas cualidades hacen que la batera de mercurio sea ideal
para los marcapasos, aparatos auditivos, relojes elctricos y
medidores de luz.
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El Acumulador de plomo:
La batera o acumulador de plomo que se usa comnmente en los
automviles consta de seis celdas idnticas unidas en serie. Cada
celda tiene un nodo de plomo y un ctodo hecho de dixido de
plomo (PbO2) empacado en una placa metlica. Tanto el ctodo
como el nodo estn sumergidos en una disolucin acuosa de cido
sulfrico (H2SO4), que acta como electrolito. Las reacciones de la
celda son:
nodo: Pb(s) + SO4-2
(ac) PbSO4(s) + 2e-
Ctodo: PbO2(s) + 4H+
(ac) + SO4-2
(ac) + 2e- PbSO4(s) + 2H2O(l)
Global: Pb(s) + 2SO4-2
(ac) + PbO2(s) + 4H+
(ac) 2PbSO4(s) + 2H2O(l)
En condiciones normales de operacin, cada celda produce 2V; un
total de 12 V de las seis celdas se utiliza para suministrar energa al
circuito de encendido del automvil y sus dems sistemas
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elctricos. El acumulador de plomo puede liberar gran cantidad de
corriente por un corto tiempo, como el que toma encender el motor.
A diferencia de la celda de Leclanch y la batera de mercurio, el
acumulador de plomo es recargable, lo cual significa que se invierte
la reaccin electroqumica normal al aplicar un voltaje externo en el
ctodo y en el nodo. (Este proceso se conoce como electrlisis) las
reacciones que restituyen los materiales originales son:
nodo: PbSO4(s) + 2e- Pb(s) + SO4
-2(ac)
Ctodo: PbSO4(s) + 2H2O(l) PbO2(s) + 4H+
(ac) + SO4-2
(ac) + 2e-
Global: 2PbSO4(s) + 2H2O(l) Pb(s) + 2SO4-2
(ac) + PbO2(s) +
4H+
(ac)
La reaccin global es exactamente contraria a la reaccin normal de
la celda. Cabe hacer notar dos aspectos de la operacin del
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acumulador de plomo: en primer lugar, como la reaccin
electroqumica consume cido sulfrico, se puede saber que tanto se
ha descargado la batera, midiendo la densidad del electrolito con un
hidrmetro, como normalmente se hace en las gasolineras. La
densidad del fluido de una batera "sana", completamente cargada,
debera ser mayor o igual a 1.2 g/mL. En segundo lugar, las
personas que viven en climas fros a veces tienen problemas con
sus vehculos debido a que la batera "no pasa corriente". Los
clculos termodinmicos muestran que la fem de muchas celdas
electroqumicas disminuye cuando baja la temperatura. Sin embargo,
el coeficiente de temperatura para una batera de plomo es de
aproximadamente 1.5 E-4 V/C; es decir, hay una disminucin en el
voltaje de 1.5E-4 V por cada grado que baja la temperatura. De
manera que cuando hubiera una cambio de temperatura de unos
40C, la disminucin en el voltaje sera de tan solo 6E-3 V o sea un
0.05%. del voltaje de operacin, un cambio insignificante. Lo que
realmente ocasiona que la batera falle es que aumenta la viscosidad
del electrolito cuando baja la temperatura. Para que la batera
funcione de manera adecuada, el electrolito debe ser totalmente
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conductor. Sin embargo, como los iones se mueven ms lento en un
medio viscoso, la resistencia del fluido aumenta y provoca que la
energa que suministra la batera sea menor. Si una batera que
aparente estar "muerta" se calienta a la temperatura ambiente en un
da fro, recupera su potencia normal.
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Bateras de litio en estado slido:
A diferencia de las bateras descritas, una batera en estado slido,
emplea un slido (en lugar de una disolucin acuosa o una pasta a
base de agua) como electrolito conector de los electrodos. Una
batera de litio sera una batera en estado slido. La ventaja que
tiene escoger el litio como nodo es que tiene el valor de potencial
estndar del electrodo E ms negativo. Adems, el litio es un metal
ligero, por lo que solo se necesitan 6.941 g de Li para producir 1 mol
de electrones. El electrolito es un polmero que permite el paso de
iones pero no de electrones. El ctodo est hecho de sulfuro de
titanio TiS2 o de xido de vanadio V6O13. El voltaje de la celda de
una batera de litio en estado slido puede ser hasta de 3 V, y puede
recargase igual que un acumulador de plomo. Aunque estas bateras
no son tan confiables y son de poca duracin, se les considera como
las bateras del futuro.
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Batera de nquel-cadmio (nicad)
Recientemente se ha empleado, cada vez con mayor frecuencia un
nuevo tipo de celda seca, la de nquel y cadmio que puede ser
recargada. Lo que le proporciona una vida til mucho ms
prolongada que las celdas secas comunes. Las bateras de niquel
cadmio se emplean en relojes de pulsera electrnicos, calculadores y
equipo fotogrfico.
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El nodo es de cadmio y el ctodo es de xido de niquel (IV). La
solucin electroltica es bsica, las reacciones de descarga son:
nodo: Cd(s) + 2OH-(ac) Cd(OH)2(s) + 2e
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Ctodo NiO2(s) + 2H2O(l) + 2e- Ni(OH)2(s) + 2OH
-(ac)
Global: Cd(s) + NiO2(s) + 2H2O(l) Cd(OH)2(s) + Ni(OH)2(s)
El producto de reaccin slido en cada electrodo se adhiere a la
superficie del mismo. La batera nicad puede recargase mediante
una fuente externa de electricidad, invirtiendo las reacciones. El
voltaje de una celda nicad es cercano a 1.4V, un poco menor que la
celda de Leclanch.
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Celdas combustibles
Los combustibles fsiles son una fuente importante de energa, pero
la conversin de un combustible fsil en energa elctrica es un
proceso poco eficiente. Para generar electricidad, el calor producido
en la reaccin primero se utiliza para convertir el agua a vapor, que
luego mueve una turbina y sta a un generador. En cada etapa se
arroja al exterior una porcin considerable de energa liberada en
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forma de calor, la planta ms eficiente logra convertir nicamente un
40% de la energa qumica. Como las reacciones de combustin son
redox, es mejor llevarlas a cabo directamente por medios
electroqumicos; en esta forma se incrementar la eficiencia de
produccin de energa. Para lograr este objetivo se utiliza un
dispositivo conocido como celda combustible, una celda
electroqumica que requiere un aporte continuo de reactivos para su
funcionamiento.
En su forma mas simple, una celda combustible de oxgeno e
hidrgeno, consta de una disolucin electroltica, como puede ser
una disolucin de hidrxido de potasio, y dos electrodos inertes. El
hidrgeno y el oxgeno gaseoso se burbujean a travs de los
compartimientos del nodo y del ctodo, donde se llevan a cabo las
reacciones:
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nodo: 2H2(g) + 4OH-(ac) 4H2O(l) + 4e
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Ctodo: O2(g) + 2H2O(l) + 4e- 4OH
-(ac)
Global: 2H2(g) + O2(g) 2H2O(l)
Con una fem de 1.23 V; y la reaccin es espontnea en estado
estndar. La reaccin es la misma que para la combustin de
hidrgeno, pero la oxidacin y la reduccin se llevan a cabo en el
nodo y en el ctodo por separado. Los electrodos sirven como
conductores elctricos y proporcionan la superficie necesaria para la
descomposicin inicial de las molculas en tomos antes de que se
transfieran los electrones, son electrocatalizadores.
A diferencia de las bateras, las celdas de combustin no almacenan
energa qumica. En las celdas combustibles los reactivos deben
renovarse de manera continua, y los productos deben eliminarse de
forma constante. En este sentido, una celda combustible se parece
ms a un motor que a una batera. Sin embargo, la celda
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combustible no funciona como mquina trmica y, por tanto, no est
sujeta a las mismas limitaciones termodinmicas de la segunda ley
en la conversin de energa.
Las celdas combustibles bien diseadas pueden tener una eficiencia
hasta del 70%, casi el doble que un motor de combustin interna;
adems los generadores son silenciosos, no vibran, no desprenden
calor, no contribuyen a la contaminacin trmica y otros problemas
asociados con las plantas de energa convencional. Sin embargo,
an no se ha logrado utilizarlas a gran escala. El principal problema
es que no hay electrocatalizadores baratos que funcionen en forma
eficiente por largo tiempo. La aplicacin ms exitosa de las celdas
combustibles ha sido en los vehculos espaciales, en stas el agua
pura que se produce sirve para que la ingieran los astronautas.
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Procesos Redox en la industria de pilas comerciales.
Tipo descripcin
Pila seca o salina
Es la pila ms corriente y de mayor consumo. En realidad no esta
seca: contienen en su interior una disolucin acuosa de electrolito.
Tambin se llama pila leclanche, en honro a su inventor (1866). Esta
constituida por una barrita de grafito, que hace que el polo positivo,
rodeada de MnO2, y un recipiente de cinc, que es el polo negativo.
Como electrolito acta una disolucin acuosa de NH4Cl, embebida en
un solido absorbente (serrn , carbn en polvo ,etc.; con una sustancia
higroscpica ,como ZnCl2, para mantener la humedad). Las
reacciones que ocurren en la pila son algo complejas, pero pueden
resumirse en las semireacciones :
Polo (-): Zn Zn+2 + 2e-
Polo (+) : 2MnO2 + 2NH4++2e- Mn2O3 +H2O +2NH3
EL NH3 con los iones Zn2+ formal el complejo Zn (NH3)4
2+, con lo que
se evita la acumulacin de NH3 gaseoso, que anchara la pila hasta
reventarla.
La fem des esta pila es de 1,5 V. En el comercio hay pila de 4,5 V,
que son en realidad, asociadas en serie tres pilas secas.
Pila alcalina
Es una versin mejorada de la pila anterior, el electrolito de NH4Cl se
a remplazado por KOH (de aqu el nombre alcalina), lo que evita el
carcter acido del contenido causado por los iones NH4+, y que le
confiere una mayor duracin , si bien su costo es tambin mayor . Las
semireacciones simplificadas son:
Polo (-) : Zn + 2(OH)- Zn(OH)2 + 2e-
Polo (+) : 2MnO2 +H2O + 2e- Mn2O3 + 2(OH)
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El recipiente de esta pila es de acero y la distribucin de las
componentes es la inversa de la anterior. En este caso, el polo e de
Zn va en centro, y el de MnO2 ocupa la zona perifrica.
La pila alcalina tienen la misma fem, 1,5V pero es mas constante con
el tiempo, y su rendimiento es mejor que el de las salinas.
Pila de mercurio.
En esta pila el polo (-) es una amalgama de cinc, y el polo positivo es
de acero, en contacto con una pasta de HgO, KOH y Zn (OH)2.
Las semireacciones de esta pila son:
Polo (-) : Zn + 2(OH)- Zn(OH)2 + 2e-
POLO (+) : HgO +H2O +2e- Hg +2 (OH)-
la ventaja de esta pila (aunque bastante mas cara) es que puede
fabricarse de un tamao muy reducido (pilas botn), por lo que tiene
mltiples aplicaciones en relojes, audfonos , etc. A pesar de ser tan
pequea, su fem , de 1,35V y es muy estbale en el curso de una
utilizacin prolongada.
Es muy peligrosa para el medio ambiente por contener compuesto de
mercurio.
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Acumuladores
Son pilas reversibles, de tal forma , que haciendo pasar una corriente elctrica en direccin opuesta , se puede invertir las reacciones, recargndose el acumulador, es decir, que se regeneran los reactivos originales en la pila mediante una electrolisis. Por ello, no pueden utilizarse para este tipo de pilas procesos en los que hay desprendimiento de gases.
El acumulador mas tradicional y mas utilizado es el de plomo. Esta formado por una serie de laminas de plomo (polo negativo), alternado con otras de dixido de plomo (polo positivo), y sumergidas ambas es una solucin acuosa de H2SO4al 20%.Las semireacciones que se producen son:
Polo(-) : Pb +SO42-PbSO4 +2e
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Polo (+) : PbO2 + 4H+ +SO4
2-+2e- PbSO4 + 2H2O
En la descarga, las dos semireacciones ocurren hacia la derecha, con lo que ambos electrodos se van recubriendo de una sola capa de PbSO4(que hay insolubles), a la vez que se hace mas diluida la disolucin de H2SO4.En la carga (hacia la izquierda) se regeneran los reactivos (Pb y PbO2), a la vez que se concentra la disolucin de H2SO4. La fem de un acumulador simple es de 2,05 V, pero suelen conectarse en serie constituyendo una batera; las de los coches estn formadas por seis elementos, con lo que resulta una tensin de 12V. Cuando el motor del coche esta parado, la batera proporciona corriente necesaria para que el motor arranque, bujas, faros, etc. Cuando el motor esta en marcha, mueve la dinamo, que suministra corriente de carga a la batera.
Acumulador de nquel cadmio
Es mas conocido como pila recargable, por lo que tiene ventajas sobre las pilas anteriores, los electrodos estn enrollados y separaos por lminas empapadas de una papilla de KOH.
Las semireacciones que tiene lugar son:
Polo (-) : Cd +2OH- Cd(OH)2+ 2e- (descarga)
polo n(+) : 2Ni(OH)3 + 2e- 2 Ni(OH)2 + 2OH
- (carga)
Tiene unas vida mas larga que el acumulador de plomo, y su fem, de 1,35V; es mucho mas estable. A cambio, es mucho mas caro.
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Conclusiones
1. Las pilas o bateras funcionan por medio de una reaccin
electroqumica en la cul una sustancia se reduce y otra se
oxida, y en el proceso existe una transferencia de electrones
que puede ser aprovechada para generar una corriente
elctrica.
2. Existen muchos tipos de bateras, siendo las ms comunes
actualmente la batera seca, la de mercurio y el acumulador de
plomo.
3. Las aplicaciones de las bateras son muy amplias, desde lmparas
y equipo electrnico de mano hasta naves espaciales.
4. Para que se pueda dar un transporte de electrones, los electrodos
deben estar conectados por medio de un electrolito, sustancia
que permite el paso de electrones.
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Recomendaciones:
Los principales componentes de las pilas son mercurio, cadmio,
nquel y manganeso. La exposicin a estos qumicos puede
provocar cncer. El consumo constante de alimentos
contaminados con mercurio puede provocar cambios de
personalidad perdida de visin memoria, sordera o problemas
en los riones y pulmones; en mujeres embarazadas, el
mercurio puede acumularse en la placenta y provocar dao en
el cerebro y en los tejidos de los neonatos, quienes son
especialmente sensibles a esta sustancia. Respirar Cadmio
produce lesiones en los pulmones y cuando se ingiere
generalmente se acumula en los riones.
El efecto adverso ms comn de exposicin de nquel en seres
humanos es la reaccin alrgica. Entre 10 y 15 porciento de la
poblacin es sensible a l. Algunas personas que no son sensibles a
este metal sufren de ataques de asma luego de periodos de
exposicin. La exposicin a niveles de Manganeso muy altos durante
largo tiempo ocasiona perturbaciones mentales y emocionales, u
provoca movimientos lentos y faltos de coordinacin.
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Las pilas y bateras que se utilizan en los celulares tambin
contamina , Cada ao se consumen 75 toneladas de bateras
telefnicas inalmbrica; 18% del contenido de estas bateras es
cadmio y 20% es nquel, por lo que se calcula que cerca de 28.5
toneladas de residuos peligrosos son generados anualmente por
las bateras utilizadas en telfonos celulares.
Lo ms recomendable para desechar las pila y bateras es
llevarlas a un centro de acopio especial.
No tirar las pilas en la basura, el campo o la calle, ya que se
estara contaminando uno mismo.
Evitar el uso de aparatos que necesitan pilas o bateras para
funcionar.
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Formas adecuadas de desechar las pilas
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Bibliografa
Chang, Raymond, Qumica, Tr. Mara del Carmen Ramrez Meledes y Rosa
Zugazagoita Herranz. 6 edicin, Editorial Mc Graw Hill,1998 Pp. 683- 689.
Klaidler, Keith Fisicoqumica Tr. Mara Teresa Aguilar Ortega. 2a. Edicin
CECSA, 1998 Pp. 340-343
WHITTEN, K.W. Qumica General, Mxico, Editorial Mc Graw Hill1991
Pp.565-569.
Quimica, la ciencia central.- Brown LeMay Bursten novena edicin.