Electrólisis

Esencialmente, la electrólisis es la descomposición química de una sustancia, producida por el paso de una corriente eléctrica continua.

Para que tenga lugar la electrólisis de un compuesto es preciso que éste sea un ácido, una base o una sal disociable en iones, y que se halle en estado líquido o en disolución. Dicho compuesto, llamado electrólitos, se coloca en un recipiente (cuba electrolítica) en el que existen dos electrodos entre los que se establece una diferencia de potencial, bajo el influjo de la cual los iones positivos (cationes) son atraídos hacia el cátodo (negativo), donde adquieren el o los electrones que precisan para convertirse en átomos del elemento, mientras que los iones negativos (aniones) se dirigen hacia el ánodo (positivo), donde ceden sus electrones sobrantes para alcanzar la estructura atómica estable.

Las leyes de Faraday sobre la electrólisis indican que la cantidad de un elemento químico depositado sobre un electrodo es proporcional a la cantidad de carga eléctrica que atraviesa la disolución, y que el peso de los distintos elementos que deposita en los electrodos una cantidad constante de electricidad es proporcional a los equivalentes químicos de las sustancias consideradas.

Corriente eléctrica

Desplazamiento de cargas eléctricas en un conductor. Fundamentalmente se distingue entre corriente eléctrica alterna, que es aquella cuya intensidad cambia de magnitud y sentido según una ley sinusoidal, y corriente eléctrica continua, o sea, aquella cuya intensidad se mantiene constante a lo largo del tiempo. De forma convencional se toma como sentido direccional de la corriente el opuesto al movimiento real de los electrones en el circuito, y ello coincide con el sentido de mayor a menor potencial y del borne positivo al negativo. La intensidad de una corriente eléctrica es la carga que atraviesa una sección de conductor por unidad de tiempo. La corriente eléctrica más generalizada consiste en el transporte de cargas negativas (electrones) a través de un conductor metálico y sin que se produzca ninguna alteración de éste, que actúa únicamente como sostén de los electrones. A veces, sin embargo, el conductor puede ser de naturaleza distinta (una disolución electrolítica, un gas ionizado o un semiconductor), en cuyo caso las cargas eléctricas que constituyen la corriente pueden ser negativas o positivas y alterar o no la naturaleza física y química del elemento conductor. Un circuito eléctrico por el que, debido a una diferencia de potencial V, circula una corriente de intensidad I, ofrece una resistencia R al paso de dicha corriente, estando estas magnitudes relacionadas entre sí por la ley de Ohm, según la fórmula: V = R . I.

Compuesto

Sustancia formada por la combinación de átomos de varios elementos distintos, cuyas propiedades difieren de las de los elementos que lo componen. En la composición de un compuesto, sus elementos se encuentran en proporción fija, al contrario que en una mezcla o en una disolución. La fórmula química de un compuesto, por ejemplo H2SO4 para el ácido sulfúrico, especifica los elementos que intervienen en el compuesto (designados por abreviaturas convencionales) y las proporciones en las que entran (subíndices).

Ácidos

Sustancias compuestas que reaccionan con las bases, neutralizándolas, producen cambios en la coloración de indicadores y atacan a los metales con desprendimiento de hidrógeno.

Existen dos tipos de ácidos: los oxácidos, que contienen oxígeno en su molécula, como el ácido nítrico, el ácido sulfúrico o el ácido fosfórico; y los hidrácidos, carentes de oxígeno, que son propiamente disoluciones acuosas de un compuesto binario de hidrógeno con un elemento fuertemente electronegativo, como el ácido clorhídrico.

El carácter ácido sólo se manifiesta cuando se hallan en disolución acuosa. Si la proporción de ácido en la disolución es elevada, se denomina ácido concentrado, en contraposición al ácido diluído. Un ácido fuerte es aquel que presenta un importante grado de disociación, mientras que el escasamente disociable recibe el apelativo de débil.

El concepto de ácido ha evolucionado notablemente a lo largo de la historia de la química. Sus propiedades y definición ya fueron expuestas con bastante exactitud en el siglo XVII por Boyle; un siglo después, Lavoisier precisaba que «ácido es toda sustancia que contiene oxígeno» (definición incompleta, que excluía a los hidrácidos). Más tarde, el carácter ácido se atribuyó al ion hidrógeno H+, y se convino en que ácido era una sustancia con hidrógeno sustituible por un metal. En el siglo XIX, Arrhenius enunció la teoría de la disociación electrolítica: los ácidos sólo manifiestan sus propiedades en disolución acuosa. Según Brönsted, el ácido es un «dador de protones». La definición más amplia, que actualmente prevalece, fue dada por Lewis en 1923: ácido es una sustancia capaz de aceptar pares de electrones, formando enlaces covalentes coordinados.

En química orgánica se estudian los llamados ácidos orgánicos, que son compuestos que contienen el grupo funcional carboxilo, de fórmula -COOH. Los ácidos orgánicos, como el ácido acético, tienen propiedades similares a las que presentan los ácidos inorgánicos, aunque generalmente son más débiles que éstos. Se obtienen por saponificación de los ésteres, por hidrólisis de los nitrilos o por oxidación de los alcoholes.

Bases

Atendiendo a sus características organolépticas, las bases o hidróxidos son sustancias cáusticas, de sabor amargo, saponáceas y detersivas, que tiñen de azul el papel de tornasol y enrojecen la disolución alcohólica de fenolftaleína. Según la teoría de Arrhenius, se considera como base toda sustancia que en disolución acuosa libera iones hidróxilo (OH-). La teoría de Brönsted considera bases las sustancias capaces de aceptar uno o más protones (H+). Esta definición permite incluir dentro del concepto de base compuestos como el amoníaco y las aminas y, además, establece una correlación de complementariedad con el concepto de ácido como dador de protones.

Una base será fuerte o débil según la mayor o menor facilidad con que se una al ion H+. Las bases más fuertes son las que corresponden a los metales alcalinos, como el hidróxido sódico o sosa cáustica (NaOH) y el hidróxido potásico o potasa cáustica (KOH), pues los hidróxidos presentan un carácter básico tanto más fuerte cuanto menos electronegativo sea el metal.

El nombre hidróxido obedece a que las bases se forman por hidratación de los óxidos. Se denomina hidronio o hidroxonio al ion complejo formado por un ion hidrógeno con una molécula de agua, de fórmula H3O+, característico de las bases, dado que éstas actúan siempre en disolución acuosa.

De forma general, las bases reaccionan con los ácidos dando lugar a una sal más agua, según una característica reacción química que se formula de la siguiente manera:

ácido + base = sal + agua.

Sales

Una sal está formada por iones de signos opuestos por neutralización de un ácido: el anión procede del ácido y el catión procede de la base. Las sales son electrólitos fuertes. Según los casos, sus iones constitutivos son simples (Por ejemplo, la sal común NaCl está formada por Na+ y Cl-), poliatómicos (H2SO4) o complejos, es decir, formados por un átomo central asociado mediante enlaces de coordinación a unos ligandos que ocultan total o parcialmente el ion central. La solubilidad de una sal en un disolvente depende de numerosos factores, por ejemplo la carga y dimensión de los iones, la constante dieléctrica del disolvente, la polarizabilidad de las moléculas del disolvente, etc. Por esta razón, existen sales de muy diversas solubilidades en agua: desde sales prácticamente insolubles, como por ejemplo el BaSO4, hasta sales muy solubles en agua, como por ejemplo el NH4NO3.

Disolución

Una disolución es una sustancia homogénea cuya composición puede variar continuamente. El hecho de ser homogénea la distingue de una mezcla, y la capacidad de poder variar la composición la distingue de un compuesto, aunque la línea fronteriza con mezclas y compuestos no está siempre bien marcada. El componente presente en mayor cantidad se denomina disolvente (o solvente), y a cualquier otro componente, soluto. Las disoluciones más comunes son de un sólido en un líquido (por ejemplo, azúcar en agua), líquido en líquido (por ejemplo, alcohol en agua) y gas en líquido (por ejemplo, cloro en el agua de una piscina), aunque también existen soluciones sólidas (líquido, gas o sólido en un sólido).

Cuando al añadir más soluto en una disolución éste no se disuelve sino que precipita, se dice que la disolución está saturada. Una disolución se considera ideal si se realiza sin absorción ni desprendimiento de calor. En estas circunstancias obedece a la ley de Raoult, según la cual la presión de vapor del disolvente es la misma que tendría si estuviera puro multiplicado por su concentración en la disolución (expresada en fracción molar). Si las moléculas del disolvente son polares y el soluto es apolar, la disolución debe absorber energía para separar las moléculas del disolvente. En este caso, se obtiene una disolución refrigerante. También se puede dar el caso inverso: cuando las fuerzas atractivas son más intensas entre moléculas distintas que entre moléculas de la misma clase se desprende calor. Un ejemplo es la disolución de acetona (CH3)2CO y cloroformo CHCl3, en el que se forma un enlace de hidrógeno entre el cloroformo y el átomo de oxígeno de la acetona.

Algunas propiedades físico-químicas de la disolución son distintas de las del disolvente puro. Así, la temperatura de ebullición de una disolución es más alta que la del disolvente puro, la temperatura de congelación es menor y la presión de vapor del disolvente es menor. Estas propiedades se denominan propiedades coligativas de las disoluciones, y son de gran utilidad práctica tanto para aplicaciones como para técnicas de análisis químico.

Electrolito

Sustancia en disolución acuosa que se descompone al paso de una corriente eléctrica. Los electrólitos son, principalmente, los ácidos, las bases y las sales disueltas en agua o en otro disolvente apropiado. Estas sustancias en disolución se encuentran parcialmente ionizadas, teniendo los iones de distinta carga comportamiento eléctrico opuesto.

Se denomina electrólitos sólido a determinados sólidos en el que se producen ciertos fenómenos de separación de cargas debido a la introducción de impurezas en dosis pequeñas. Así, cierta forma de la alúmina sintetizada a 1600C llamada alúmina b suele utilizarse como electrólitos sólido en los acumuladores sodio-azufre. También se fabrican micropilas de electrólitos sólido a partir de la alúmina b dopada con pequeñas cantidades de plata y/o cobre, utilizadas en relojería.

Electrodo

En electroquímica, electrodo es una pieza de metal que se encuentra sumergido en una disolución acuosa con un ion de su mismo metal. Según la concentración de ion de la disolución, dicho ion estará a un potencial eléctrico distinto, que viene dado por la ecuación de Nernst. Una pila electrolítica está formada, esencialmente, por la unión de dos electrodos de distintos potenciales. Los potenciales de los electrodos se suelen dar en relación al potencial del llamado electrodo normal de hidrógeno. Un electrodo de hidrógeno está formado por un metal noble (generalmente platino) de gran superficie, recubierto de hidrógeno gaseoso, en una solución de iones de hidrógeno saturada de gas. Por lo general, el metal noble se presenta en forma de hoja, recubierta de espuma de platino para obtener mayor superficie, soldada a un hilo fijado en la parte inferior de un tubo de vidrio que contiene mercurio. El contacto eléctrico con el circuito exterior se obtiene introduciendo un hilo de cobre en el mercurio. Este electrodo no es de muy fácil aplicación, por lo que se utilizan otros electrodos de referencia. Un electrodo de referencia más útil es el llamado electrodo de calomelanos. Está formado por mercurio recubierto de una capa de cloruro mercurioso en contacto con una solución acuosa de cloruro de potasio y una pequeña cantidad de mercurio.

Diferencia de potencial

La diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico, o dos puntos del espacio en el cual hay un campo eléctrico, es el trabajo o energía necesario para llevar a la carga unidad de un punto al otro sin aceleración.

En un circuito sólo circula corriente si se mantiene en él una diferencia de potencial. Así, un generador eléctrico, una pila, etc. son dispositivos que mantienen la diferencia de potencial entre la entrada y la salida d eun circuito. Podemos imaginar una analogía a la diferencia de potencial (o voltaje, o fuerza electromotriz) de un circuito como una diferencia de altura en una rampa. Desde arriba se lanzan sacos que bajan por la rampa al haber pendiente, manteniéndose una corriente de sacos, y es necesario que alguien los vuelva a subir el punto más alto para que puedan volver a caer y cerrar el circuito. Ese «alguien» es, en un circuito eléctrico, el generador o pila que mantiene la diferencia de potencial.

Todo conductor tiene una resistencia eléctrica, que tiende a impedir el paso de la corriente y a disipar la energía eléctrica en calor. A mayor diferencia de potencial aplicada entre los extremos de un conductor, mayor intensidad eléctrica circula. Al aplicar una diferencia de potencial (o voltaje) V entre los extremos de un conductor de resistencia R circula una intensidad I que viene dada por la ley de ohm:

Átomo

El átomo es la menor fracción en que puede dividirse un elemento simple sin que pierda sus propiedades químicas y pudiendo ser objeto de una reacción química. Está formado por un conjunto de nucleones (protones y neutrones), situados en el núcleo, que concentra la casi totalidad de la masa atómica y a cuyo alrededor gira, en distintos orbitales, un número de electrones igual al de protones.

El concepto de átomo como partícula indivisible se encuentra ya en la Grecia presocrática, en las concepciones de Leucipo y Demócrito acerca del mundo material, quienes anticiparon además los principios de cuantificación y conservación de la materia. En 1803, Dalton emitió su hipótesis atómica: los elementos están formados por átomos, y los compuestos por grupos de éstos (moléculas). Los experimentos de Thomson (1897) con rayos catódicos y la identificación de éstos con los corpúsculos llamados electrones, constituyentes de la electricidad, indicaron la posibilidad de que el átomo fuera divisible en componentes (partículas) más elementales. Los trabajos de Rutherford (1911) bombardeando láminas metálicas con partículas alfa llevaron a distinguir en el átomo un núcleo pequeño (diámetro del orden de 10-12 cm) y pesado y una nube electrónica dispuesta en capas concéntricas que abarcaban un diámetro de 10-8 cm.

El átomo más sencillo, el de hidrógeno, consta de un solo nucleón (protón) y un solo electrón en su corteza; los átomos más complejos tienen en el núcleo tantos nucleones como indica su masa atómica, de los cuales son protones (con carga positiva) en cantidad igual al número atómico (número de orden en la tabla periódica) y neutrones (sin carga) el resto. La carga positiva del núcleo se contrarresta con una igual de sentido contrario correspondiente a los electrones de la corteza atómica. En 1913, N. Bohr, basándose en los conocimientos que facilitaba la mecánica cuántica, y para explicar de modo adecuado las líneas espectrales, presentó un modelo atómico que establecía y cuantificaba (mediante los números cuánticos) la distribución de los electrones alrededor del núcleo, la forma orbital en que se movían y las condiciones bajo las cuales éstos saltaban de una a otra órbita. Posteriormente, Sommerfeld completó el mencionado modelo con un tercer número cuántico, con el que precisó que las órbitas electrónicas eran elípticas y no coplanarias. En 1925, Uhlenbeck y Goudsmit demostraron que los electrones atómicos tienen un movimiento de rotación (spin o espín), que se define con un cuarto número cuántico. El estudio del núcleo atómico ha dado lugar a la física nuclear, y ésta ha puesto de manifiesto la existencia de numerosas partículas subatómicas. Las teorías ondulatorias de E. Schrödinger sobre las partículas elementales hacen considerar los niveles energéticos u orbitales de N. Bohr bajo una nueva perspectiva, en la que el concepto de posición de un partícula se convierte en la probabilidad de presencia de una onda estacionaria.

Anión y catión

Cuando un átomo o molécula (inicialmente neutro) pierde o gana electrones adquiere una carga positiva o negativa respectivamente, formándose entonces un ion. Si el ion ha ganado electrones (tiene pues carga negativa) se denomina anión mientras que si ha perdido electrones (tiene entonces carga positiva) se denomina catión. En disolución acuosa, muchos compuestos se disocian dando lugar a aniones y cationes, que por su distinta carga eléctrica, se dirigen a electrodos distintos al efectuar una electrólisis.

Faraday, Michael

(Newington, Surrey 1791-Londres 1867) Físico y químico británico. Perteneciente a una familia humilde, desde muy joven empezó a trabajar como aprendiz de encuadernador y manifestó su interés por los temas científicos. En 1813 consiguió un empleo como ayudante del químico Humphry Davy, con quien viajó por toda Europa. Sin embargo, no tardó en aventajar en conocimientos a su propio maestro, basándose sobre todo en la experimentación; entre otras cosas, perfeccionó una lámpara de seguridad para mineros que había ideado el propio Davy.

En 1826 fue nombrado profesor de química de la Royal Institution. Para entonces ya había inventado métodos para licuar gases por presión. Faraday, fue el primero en alcanzar en el laboratorio el equivalente de temperaturas bajo cero en la escala Fahrenheit, estableciendo las bases de la rama de la física denominada criogénesis (estudio de las bajas temperaturas). En 1825 descubrió el benceno. Prosiguió las investigaciones de Davy en el campo de la electroquímica, inventó la electrólisis y formuló las leyes que la rigen, conocidas como efecto Faraday. Estudió el electromagnetismo, construyó el primer transformador y dibujó el primer campo magnético tras sus experimentos con imanes y limaduras de hierro. De ahí afirmó que el universo en su conjunto era como un inmenso campo de fuerzas magnéticas. Después de demostrar que la electricidad podía inducirse por magnetismo, se lanzó a producirla de manera continua, lo que logró haciendo girar una rueda de cobre entre los polos de un imán.

Carga eléctrica elemental

Unidad fundamental de carga eléctrica, coincidente con la carga del electrón y con la del protón. Considerada la materia en su conjunto como eléctricamente neutra, debido a la compensación entre las cargas positivas y las negativas, se considera que un cuerpo está cargado o que posee carga eléctrica cuando existe un desequilibrio o desigual reparto de cargas, que se manifiesta por una serie de hechos cuyo fundamento estudia la electrostática. La carga eléctrica constituye una magnitud fundamental que, en los fenómenos eléctricos, desempeña un papel semejante al de la masa en los fenómenos mecánicos. La unidad de medida de carga eléctrica es el franklin en el sistema CGS, y el culombio en el sistema internacional (SI).