Electroquímica

Reacciones químicas. Electrólisis. Conductividad eléctrica. Diferencia de potencial. Celdas voltaicas

  • Enviado por: Fonchi
  • Idioma: castellano
  • País: Costa Rica Costa Rica
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La conductividad eléctrica:

Se define como la capacidad que tienen las sales inorgánicas en solución ( electrolitos ) para conducir la corriente eléctrica.
El agua pura, prácticamente no conduce la corriente, sin embargo el agua con sales disueltas conduce la corriente eléctrica. Los iones cargados positiva y negativamente son los que conducen la corriente, y la cantidad conducida dependerá del número de iones presentes y de su movilidad.
En la mayoría de las soluciones acuosas, entre mayor sea la cantidad de sales disueltas, mayor será la conductividad, este efecto continúa hasta que la solución está tan llena de iones que se restringe la libertad de movimiento y la conductividad puede disminuir en lugar de aumentas, dándose casos de dos diferentes concentraciones con la misma conductividad.

La conductividad, tal como se aplica al análisis de agua, es una medida de la capacidad del agua para conducir corriente eléctrica y está directamente relacionada con la concentración de sustancias ionizadas en el agua. Una vez que se han establecido correlaciones entre los valores de la conductancia y las normas características del sistema que se está supervisando, se convierte en una medida útil para manejar el procesamiento del agua. Dependiendo de la aplicación en particular, un cambio en la conductividad puede ser señal de cosas tales como la necesidad de añadir productos químicos o de regenerar el sistema.

Las medidas de conductividad se usan corrientemente para determinar la pureza del agua desmineralizada y los sólidos totales disueltos en aguas para calderas y torres de refrigeración.

Importancia de la conductividad:

- La estimación de la conductividad nos permite determinar los Sólidos Disueltos Totales (TDS)

- La determinación de los TDS es una medida primaria de la calidad del agua que permite evaluar y dictaminar riesgos para diferentes tipos y usos de agua.

- Una pobre conductividad nos indica que el agua es pura y que por lo tanto tiene alta resistencia al flujo eléctrico.

Conceptos fundamentales en conductividad:

- La conductividad se define como la capacidad de una solución para conducir corriente eléctrica y por tanto es inversa a la resistencia

- Esta capacidad está determinada por la presencia de iones o sales minerales disociados en la sustancia

- La presencia de estos iones, disminuye la resistencia que ofrece la sustancia para conducir corriente eléctrica

  • Los iones en la solución son considerados como electrolitos

  • Los Electrolitos se clasifican en Cationes y Aniones.

La diferencia de potencial:

Como hemos dicho, para que los electrones se muevan por el conductor, es decir, para que exista una intensidad de corriente eléctrica, es necesario que algo impulse a los electrones.

Símbolo de un generador

Pues bien, la diferencia de potencial representa el “impulso” que llevan las cargas (los electrones) por el conductor y los aparatos que producen esa diferencia de potencial son los generadores.

La diferencia de potencial se representa con la letra V. Su unidad de medida es el voltio, representado como V también.

Esta unidad se llama así en honor del físico italiano Alessandro Volta (1745-1827), quien experimentó sobre los fenómenos eléctricos, y construyó la primera batería (pila) eléctrica.

Para medir la diferencia de potencial que existe entre dos puntos de un conductor se usa un aparato llamado voltímetro. Este aparato se conecta entre dos puntos del conductor, es decir se conecta en paralelo.

En este circuito la V, que representa al voltímetro, está en paralelo.

Conducción eléctrica:

Este método se basa en el hecho de que un cuerpo necesariamente conductor, transmita electrones desde una zona electrizada a otra neutra o cargada opuestamente. Los metales son siempre buenos conductores y esta es la única característica que éstos poseen. La propiedad de conductividad se basa en la existencia de electrones libres en un cuerpo. Los metales pueden desprender de sus átomos electrones en forma muy rápida y fácil. Los electrones que se encuentran en los últimos niveles de energía, son propensos a abandonar las sus órbitas y desplazarse a través de un cuerpo conductor a zonas donde no haya electrones. De esta forma se transmite la energía.

Conductor eléctrico:

Un conductor eléctrico es aquel material que ofrece poca resistencia al flujo de electricidad. La diferencia entre un conductor y un aislante, que es un mal conductor de electricidad o de calor, es de grado más que de tipo, ya que todas las sustancias conducen electricidad en mayor o en menor medida. Un buen conductor de electricidad, como la plata o el cobre, puede tener una conductividad mil millones de veces superior a la de un buen aislante, como el vidrio o la mica.

La resistencia de un conductor viene determinada por una propiedad de la sustancia que lo compone, conocida como conductividad, por la longitud por la superficie transversal del objeto, así como por la temperatura. A una temperatura dada, la resistencia es proporcional a la longitud del conductor e inversamente proporcional a su conductividad y a su superficie transversal. Generalmente, la resistencia de un material aumenta cuando crece la temperatura.

Celdas Voltaicas o Galvánicas:

Una celda voltaica aprovecha la electricidad de la reacción química espontánea para encender una lamparita, es decir, convierte energía potencial química en energía eléctrica. Las tiras de cinc y cobre, dentro de disoluciones de ácido sulfúrico diluido y sulfato de cobre respectivamente, actúan como electrodos (el derecho actúa como cátodo y el izquierdo como ánodo). El puente salino (en este caso cloruro de potasio) permite a los electrones fluir entre las cubetas sin que se mezclen las disoluciones. Cuando el circuito entre los dos sistemas se completa (como se muestra a la derecha), la reacción genera una corriente eléctrica.

Si ambas soluciones se conectan mediante un voltímetro su lectura acusará 1,10 V, esto debido a que el potencial de oxidación del Zn++ es 0,763 V y el del Cu++ es de -0,337 V, por lo tanto el cinc (de mayor potencial) le cede electrones al cobre (de menor potencial).

Obsérvese que el metal de la tira de cinc se consume (oxidación) y la tira desaparece. La tira de cobre crece al reaccionar los electrones con la disolución de sulfato de cobre para producir metal adicional (reducción). Si se sustituye la lamparita por una batería la reacción de una se invertirá, creando una celda electrolítica, convirtiendo energía eléctrica en energía potencial química. Las semirreacciones correspondientes son:

Anodo:

Zn° → Zn++ + 2e-

Cátodo:

Cu++ + 2e- → Cu°

Una celda voltaica es un dispositivo para producir energía eléctrica a partir de una reacción redox. La principal característica de la celda voltaica es la pared porosa que separa las dos soluciones evitando que se mezclen. La pared es porosa para que los iones la atraviesen. La hemicelda del ánodo adquiere un exceso de iones de Zn positivos (para mantener la neutralidad eléctrica necesita iones negativos), al mismo tiempo, la hemicelda del cátodo consume iones de Cu (para mantener la neutralidad, éste debe eliminar iones negativos).Los iones SO4= atraviesan la pared porosa para satisfacer la neutralidad eléctrica de ambas hemiceldas. Los tipos de celdas más comunes son: las pilas y el acumulador de plomo.

Electrólisis:

La Electrólisis es la descomposición de una sustancia por medio de la corriente eléctrica. Los elementos indispensables para que se produzca la electrólisis son ele electrolito, los electrodos y la celda electrolítica.

Cuando los electrodos se conectan a una fuente de electricidad y se sumergen en una solución electrolítica, los iones positivos van formando el cátodo (ganan electrones y se reducen), los iones negativos van formando el ánodo (pierden electrones y se oxidan). Se produce una reacción Redox.

La electrólisis es muy sencilla, acá hay un ejemplo de electrólisis.

La electrólisis puede servir para muchas cosas, como para formar capas protectoras (niquelado, cromado, plateado), para reponer algunas superficies, hasta para separar los metales de sus minerales (minería).

Para hacer una electrólisis simple solo necesitas, la solución a la cual vas a descomponer (electrolito), una fuente de corriente eléctrica, los electrodos y las celdas electrolíticas.

Colocas la solución en un recipiente, a esta le colocas dentro las celdas electrolíticas, con un conductor de corriente o cable de corriente, conectas cada uno a cada polo de una batería y si deseas también le puedes agregar una bombilla, en uno de los conductores eléctricos, para que te percates que la electricidad se encuentra en circulación.

Las aplicaciones son variadas, unos ejemplos son:

Para fabricar joyería, bueno... en teoría, ya que me refiero a un metal cualquiera, el cual fue “bañado” en algún metal precioso como es el oro o la plata.

El Galvanizado: Se utiliza para recubrir al hierro con alguna sustancia como puede ser el Zinc, esto para que no se oxide. En el cátodo colocas una pieza de hierro, entonces los iones de Zn se reduce a Zn , produciéndose un recubrimiento de Zinc sobre la superficie de hierro.

Electrorrefinado: Es la forma de obtener cobre de alta pureza, lo cual se utiliza industrialmente.

Se utilizan cátodos de Titanio (Ti) y ánodos de Cobre con impurezas (cobre blister). La disolución electrolítica contiene iones Cu , cuando esta se conecta , el ánodo de cobre blister se empieza a disolver , ya que los átomos de Cu se oxidan y pasan a la disolución como cationes Cu

Las impurezas no reaccionan y se van quedando, y los iones de Cu se van depositando en el cátodo de Titanio formando cobre de alta pureza.

Potencial Redox: (Una reacción de oxidación-reducción (redox ), es aquella en la cual ocurre una transferencia de electrones.)

Para que se produzca una corriente eléctrica es necesario que se establezca una diferencia de potencial entre los dos electrodos de una pila galvánica. A cada uno de los pares redox conformados a partir de las correspondientes reacciones de oxidorreducción, se le asigna un determinado potencial, el potencial redox, a partir del cual puede obtenerse una medida de la fuerza oxidante o reductora de una sustancia. No es posible, sin embargo, efectuar medidas aisladas de los potenciales de los pares. Dado que solamente pueden medirse diferencias de potencial, debe determinarse de forma arbitraria el punto cero de la escala de potenciales. Para ello se considera el denominado electrodo normal de hidrógeno, que responde a la siguiente definición: El electrodo o semielemento normal de hidrógeno esta formado por una disolución de HCI 1M, con H+ 1M, a través de la cual pasa una corriente de hidrogeno gaseoso y en la que se halla sumergido un electrodo de platino. En este sistema redox se establece el par:

2H+ + 2e- H2 (Polo Positivo)

H2 2H+ + 2e- (Polo Negativo)

Según el sistema de representación de las pilas galvánicas, el electrodo normal de hidrogeno será:

(Pt) H2 / H+ (1M)

A este electrodo se le da un valor arbitrario de cero voltios. La medida del potencial o fuerza electromotriz de un par redox cualquiera frente al electrodo normal de hidrogeno permite establecer una escala relativa de potenciales.

El desarrollo de las reacciones de oxidación y reducción se ha establecido por convención que los electrodos negativos son aquellos en que los que se produce un desprendimiento de electrones, es decir, una oxidación. Así pues, el potencial de los pares en el que el reductor sea mas fuerte que el hidrogeno tomara signo negativo y el de aquellos pares cuyos oxidantes sean mas fuertes que el ion H+ , será de signo positivo. Para poder establecer comparaciones entre los diversos pares se define el potencial de un elemento en una disolución 1M de sus iones, al que se denomina potencia normal E°.

Introducción:

La electroquímica estudia las reacciones químicas producidas por acción de la corriente eléctrica (electrólisis) así como la producción de una corriente eléctrica mediante reacciones químicas (pilas, acumuladores), en pocas palabras, es el estudio de las reacciones químicas que producen efectos eléctricos y de los fenómenos químicos causados por la acción de las corrientes o voltajes.

Esta asignatura teórico-práctica está enfocada al nivel de modelos científicos de estructura y comportamiento, esto es, el estudio de cómo son y cómo funcionan los sistemas electroquímicos.

Las Reacciones Químicas que intervienen en estos procesos son de tipo redox.

Bibliografía:

- Encarta 2003®

  • Libro: “Nuevo plan de estudio consultor universal del estudiante Física y Química”

Editorial Cultural S.A

Anexos:

Pila de Bagdad

Laboratorio de Luigi Galvani

Pilas usadas por Volta

Pilas de Volta

Elementos de una pila

Equilibrio en un Electrodo

Conclusiones:

  • La celda galvánica esta basada en la oxidación - reducción donde se produce un cambio en los números de oxidación de las sustancias. Los electrones tienen que fluir por el circuito externo desde el electrodo negativo al positivo. En el electrodo negativo tiene lugar la oxidación y la reducción se verifica en el electrodo positivo. Al sumar las reacciones de oxid. Y red. Resulta la celda.

  • La electrólisis del agua es el único método actual que puede ser utilizado en una producción de hidrógeno a escala industrial.

  • En la obtención de los electrodos se observó que se pueden obtener electrodos de diferente composición variando el tiempo de rotación, obteniéndose mejores resultados para ð = 8 min.

  • Las Pilas son dispositivos electroquímicos que transforman la energía química en energía eléctrica, también hay pilas que transforman en energía eléctrica la energía solar o radioactiva.

  • Todas las pilas consisten en un electrólito (que puede ser líquido, sólido o en pasta), un electrodo positivo y un electrodo negativo.

  • Las Pilas:

    El Italiano Alejandro Volta fue el primero en crear y construir la primera pila química que produjera un flujo de electrones. En su honor se ha dado el nombre de voltio a la unidad de medida de tensión eléctrica.

    A este hombre le fascinaban las ranas, “galvanizadas”, como se las llamó. Vio que se necesitaban tres únicas cosas para producir este efecto (cobre, hierro y el tejido muscular de la rana). Realizó una hipótesis la cual decía que los metales y los líquidos sufrían una acción química. Así nació la idea que una reacción química puede producir una fuerza eléctrica.

    Las Pilas son dispositivos electroquímicos que transforman la energía química en energía eléctrica, también hay pilas que transforman en energía eléctrica la energía solar o radioactiva. La Batería es un acumulador de energía eléctrica, la cual está conformada por varias pilas conectadas una tras otra.

    La semejanza entre estas es que ambos produce energía, si se hallan cuatro pilas de 2v cada una en un acumulador o batería, la carga de la batería sera de 8v. Las pilas en las que el producto químico no puede volver a su forma original una vez que la energía ha sido convertida (es decir, que las pilas se han descargado), se llaman pilas primarias o voltaicas. Las pilas en las que el producto químico puede ser reconstituido pasando una corriente eléctrica a través de él en dirección opuesta a la operación normal de la pila, se llaman pilas secundarias o acumuladores.

    Todas las pilas consisten en un electrólito (que puede ser líquido, sólido o en pasta), un electrodo positivo y un electrodo negativo. El electrólito es un conductor iónico; uno de los electrodos produce electrones y el otro electrodo los recibe. Al conectar los electrodos al aparato que hay que alimentar, llamado carga, se produce una corriente eléctrica.

    La Pila seca, inventada por el químico francés Georges Leclanché en los años sesenta. La pila seca que se utiliza hoy es muy similar al invento original. El electrólito es una pasta consistente en una mezcla de cloruro de amonio y cloruro de cinc. El electrodo negativo es de cinc, igual que la parte exterior de la pila, y el electrodo positivo es una varilla de carbono rodeada por una mezcla de carbono y dióxido de manganeso. Esta pila produce una fuerza electromotriz de unos 1,5 V.

    A la izquierda se ve una sencilla pila eléctrica, que consiste en una varilla de zinc y otra de carbón en una solución de sal, amoniaco y agua. La acción química que se provoca entre el zinc y la solución provoca un exceso de electrones en la varilla de zinc y una falta de ellos en la de carbón. Cuando el zinc es conectado exteriormente con el carbón, los electrones sobrantes fluyen del zinc al carbón. En la pila del centro, la acción es casi la misma, solo que la solución es diferente y las varillas son de zinc y cobre. En la tercera pila, se ve una sección de una pila seca. El recipiente es de zinc, la varilla del centro de carbón y; entre ambos, está apretada una húmeda pasta de sal amoniaco. La acción química es la misma que en las otras dos pilas.

    Corte de una pila seca...

    Las pilas tienen diversas aplicaciones tanto en los hogares como en las industrias. En los hogares mayormente se utilizan para radios, juguetes máquinas de afeitar, linternas, etc. Luego se pueden utilizar en el carro, pero ojo, la del carro no es una pila, sino una batería, ya que esta necesita una carga de voltaje más alta que la que puede producir una simple pila. En las industrias también son necesarias para maquinarias en general.

    Las pilas en el mayor de los casos tienen que ir mas de una en cualquier objeto en que las utilices, esto se debe a que la mayoría de objetos necesitan mucho mas voltaje de lo que proporciona una sola pila; puedes encontrar dos tipos de conexiones para las pilas, una es en paralelo y otra en serie, te puedes dar cuanta fácilmente de cómo están conectadas, si las pilas se encuentran mirando las dos para un solo lado, esto significa que se encuentra conectado en paralelo; pero si las encuentras mirando una para un lado o una tras otra, significa que están conectadas en serie.