Electroquímica
Es una rama de la química que estudia la
transformación entre la energía eléctrica y la
energía química. En otras palabras, las reacciones
químicas que se dan en la interface de un
conductor eléctrico (llamado electrodo, que puede ser un metal o un
semiconductor) y un conductor iónico (el electrolito) pudiendo ser una
disolución y en algunos casos especiales, un sólido. Si una reacción química es conducida mediante una
diferencia de potencial aplicada externamente, se hace referencia a una
electrólisis. En cambio, si la caída de potencial
eléctrico, es creada como
consecuencia de la reacción química, se conoce como un 'acumulador de energía
eléctrica', también llamado batería o celda
galvanica.
Las reacciones químicas donde se produce una transferencia de electrones
entre moléculas se conocen como
reacciones redox, y su importancia en la electroquímica es vital, pues
mediante este tipo de reacciones se llevan a cabo los procesos que generan
electricidad o en caso contrario, son producidos como consecuencia de ella.
En general, la electroquímica se encarga de estudiar las situaciones
donde se dan reacciones de oxidación y reducción
encontrandose separadas, físicamente o temporalmente, se
encuentran en un entorno conectado a un circuito
eléctrico. Esto últimoes motivo de estudio de la química
analítica, en una subdisciplina conocida como analisis
potenciométrico.
Celda electroquímica
Una celda electroquímica es un dispositivo
capaz de obtener energía eléctrica a partir de reacciones
químicas, o bien, de producir reacciones químicas a través
de la introducción de energía eléctrica. Un ejemplo
común de celda electroquímica es la 'pila'
estandar de 1 voltios. En
realidad, una 'pila' es una celda galvanica simple, mientras
una batería consta de varias celdas conectadas en serie.
Tipos de celdas electroquímicas
Hay dos tipos fundamentales de celdas y en ambas tiene lugar una
reacción redox, y la conversión o transformación de un tipo de energía en otra:
* La celda voltaica transforma una reacción química
espontanea en una corriente eléctrica, como las pilas y baterías. También reciben los nombres de celda galvanica, pila
galvanica o pila voltaica. Son muy empleadas por lo que la
mayoría de los ejemplos e imagenes de este
artículo estan referidos a ellas.
* La celda electrolítica transforma una corriente eléctrica en
una reacción química de oxidación-reducción que no
tiene lugar de modo espontaneo. En muchas de estas reacciones se
descompone una sustancia química por lo que dicho proceso recibe el
nombre de electrolisis.También reciben los nombres de celda
electrolítica o cuba
electrolítica. A diferencia de la celda voltaica, en la célula
electrolítica, los dos electrodos no necesitan estar separados, por lo
que hay un sólo recipiente en el que tienen
lugar las dos semirreacciones.
Las semiceldas o semireacciones en una celda voltaica
Una celda galvanica o celda voltaica consta de dos semiceldas conectadas
eléctricamente mediante un conductor
metalico, y también mediante un puente salino. Cada
semicélula consta de un electrodo y un
electrolito. Las dos semicélulas pueden utilizar el
mismo electrolito, o pueden utilizar electrolitos diferentes. Las
reacciones químicas en la celda pueden implicar al electrolito, a los
electrodos o a una sustancia externa (como
en las pilas de combustible que puede utilizar el hidrógeno gaseoso como reactivo). En una celda voltaica completa, las especies químicas de una
semicelda pierden electrones (oxidación) hacia su electrodo mientras que
las especies de la otra semicelda ganan electrones (reducción) desde su
electrodo. Un puente salino se emplea a menudo
para proporcionar un contacto iónico entre las dos medias celdas con
electrolitos diferentes, para evitar que las soluciones se mezclen y provoquen
reacciones colaterales no deseadas. Este puente salinopuede
ser simplemente una tira de papel de filtro empapado en solución
saturada de nitrato de potasio. Otros dispositivos
para lograr la separación de las disoluciones son vasijas porosas y
disoluciones gelificadas. Un recipiente poroso
se utiliza en la pila de Bunsen (derecha).
También se les denomina semirreacciones pues en cada una de ella tiene lugar una parte de la reacción redox:
* La pérdida de electrones (oxidación) tiene lugar en el
anodo.
* La ganancia de electrones (reducción) en el catodo.
Tipos de celdas galvanicas
Las celdas o células galvanicas se clasifican en dos grandes
categorías:
* Las células primarias transforman la energía química en
energía eléctrica, de manera irreversible (dentro de los
límites de la practica). Cuando se agota la
cantidad inicial de reactivos presentes en la pila, la energía no puede
ser facilmente restaurada o devuelta a la celda electroquímica
por medios eléctricos.
* Las células secundarias pueden ser recargadas, es decir, que pueden
revertir sus reacciones químicas mediante el suministro de
energía eléctrica a la celda, hasta el restablecimiento de su
composición original.
Celdas electrolíticas
El segundo gran tipo de celdas electroquímicas convierte la
energía de una corriente eléctrica en la
energíaquímica de los productos de una reacción que no se
da de modo espontaneo en las condiciones de trabajo de dicha cuba.
El voltaje de dicha corriente ha de ser mayor al que tendría la celda galvanica
en la que se produjese el proceso inverso, por lo que también se deben
conocer los potenciales de reducción.
Ejemplo: Los potenciales de reducción del cobre(II)/cobre y del
zinc(II)/Zinc valen respectivamente +0,34 V y -0,76 V. Una pila o
celda galvanica que aprovechara la reacción espontanea Zn
+ Cu2+ → Zn2+ + Cu proporcionaría una fuerza electromotriz de
+0,34 V -(-0,76 V)=1,10 voltios.
Si ahora queremos provocar la reacción contraria Cu + Zn2+ → Cu2+
+ Zn por ejemplo para depositar Zn sobre un objeto metalico, habremos de
introducir una fuente de alimentación que genere una corriente
eléctrica de mas de 1 voltios
Por tanto, en la célula electrolítica existe igualmente una
reacción redox pero ahora esta provocada por la energía
eléctrica de las cargas que atraviesan la cuba. Aunque ahora existe un único recipiente, también existen dos
semirreacciones, una en cada electrodo, pues en cada una de ella tiene lugar
una parte de la reacción redox:
* La pérdida de electrones (oxidación) tiene lugar en el
anodo.
* La ganancia de electrones (reducción) se produce en el catodo.
