Celdas Electroquimicas

Introducción

Son dispositivos capaces de obtener energía eléctrica a partir de reacciones químicas, o bien, de producir reacciones química a través de la introducción de energía eléctrica.

El segundo gran tipo de celdas electroquímicas convierte la energía de una corriente eléctrica en la energía química de los productos de una reacción que no se da de modo espontáneo en las condiciones de trabajo de dicha cuba. El voltaje de dicha corriente ha de ser mayor al que tendría la celda galvánica 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 galvánica que aprovechara la reacción espontánea 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 metálico, habremos de introducir una fuente de alimentación que genere una corriente eléctrica de más de 1,10 voltios

Por tanto, en la célula electrolítica existe igualmente una reacción redox pero ahora está 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 ánodo.

• La ganancia de electrones (reducción) se produce en el cátodo.

Celda voltaica

La pila galvánica (o celda galvánica) también es llamada pila voltaica o pila electroquímica, desde que Alessandro Volta inventó la pila de Volta, la primera batería eléctrica. En el uso común, la palabra "batería" incluye a una pila galvánica única, pero una batería propiamente dicha consta de varias celdas.

Una celda galvánica consta de dos semipilas (denominadas también semiceldas o electrodos). En su forma más simple, cada semipila consta de un metal y una solución de una sal del metal. La solución de la sal contiene un catión del metal y un anión para equilibrar la carga del catión. En esencia, la semipila contiene el metal en dos estados de oxidación, y la reacción química en la semipila es una reacción redox, escrito simbólicamente en el sentido de la reducción como:

M n+ (especie oxidada) + n e- M (especie reducida)

En una pila galvánica de un metal es capaz de reducir el catión del otro y por el contrario, el otro catión puede oxidar al primer metal. Las dos semipilas deben estar separadas físicamente de manera que las soluciones no se mezclen. Se utiliza un puente salino o una placa porosa para separar las dos soluciones.

El número de electrones transferidos en ambas direcciones debe ser el mismo, así las dos semipilas se combinan para dar la reacción electroquímica global de la celda. Para dos metales A y B:

A n+ + n e- A

B m+ + m e- B

m A + n B m+ n B + m A n+

Esto no es toda la historia ya que los aniones también deben ser transferidos de una semicelda a la otra. Cuando un metal se oxida en una semipila, deben transferirse aniones a la semipila para equilibrar la carga eléctrica del catión producido. Los aniones son liberados de la otra semipila cuando un catión se reduce al estado metálico. Por lo tanto, el puente salino o la membrana porosa sirven tanto para mantener las soluciones separadas como para permitir el flujo de aniones en la dirección opuesta al flujo de electrones en el cable de conexión de los electrodos.

El voltaje de la pila galvánica es la suma de los potenciales de las dos semipilas. Se mide conectando un voltímetro a los dos electrodos. El voltímetro tiene una resistencia muy alta, por lo que el flujo de corriente es realmente insignificante. Cuando un dispositivo como un motor eléctrico se conecta a los electrodos fluye una corriente eléctrica y las reacciones redox se producen en ambas semipilas. Esto continuará hasta que la concentración de los cationes que se reducen se aproxime a cero.

Para la pila Daniell, representada en la figura, los dos metales son zinc y cobre y las dos sales son los sulfatos del metal correspondiente. El zinc es el metal más reductor de modo que cuando un dispositivo se conecta a ambos electrodos, la reacción electroquímica es

Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu

El electrodo de zinc se disuelve y el cobre se deposita en el electrodo de cobre. Por definición, el cátodo es el electrodo donde tiene lugar la reducción (ganancia de electrones), por lo que el electrodo de cobre es el cátodo. El anodo atrae cationes, que tienen una carga positiva., por lo que el anodo es el electrodo negativo. En este caso el cobre es el cátodo y el zinc es el ánodo.

Las celdas galvánicas se usan normalmente como fuente de energía eléctrica. Por su propia naturaleza producen corriente. Por ejemplo, una batería de plomo y ácido contiene un número de celdas galvánicas. Los dos electrodos son efectivamente plomo y óxido de plomo.

Corrosión galvánica

La corrosión galvánica es un proceso que degrada los metales electroquímicamente. Esta corrosión ocurre cuando dos metales diferentes se ponen en contacto entre sí en presencia de un electrólito, tal como el agua salada, formando una pila galvánica. También puede formarse una celda si el mismo metal se expone a dos concentraciones diferentes de electrólito. El potencial electroquímico resultante desarrolla entonces una corriente eléctrica que disuelve electrolíticamente el material menos noble.

Una celda galvánica trabaja mediante una reacción de oxidación-reducción (redox) en la que el anión del metal pierde electrones (oxidación) y el catión del metal gana electrones (reducción), según informa la Universidad de Waterloo. Este movimiento de electrones a través de un circuito desde el ánodo hasta el cátodo es la corriente eléctrica.

Los tipos comunes de celdas galvánicas que se encuentran a disposición inmediata del público incluyen baterías alcalinas AAA, AA, C, D y de 9 voltios. Michael Bluejay remarca que las baterías alcalinas ya no contienen mercurio y se pueden desechar en la basura sin peligro alguno.

Las celdas galvánicas son ampliamente utilizadas en equipos electrónicos como radioteléfonos, reproductores de CD portátiles, linternas y controles remotos.

Tipos de pilas

Pila común

Las pilas secas, de zinc-carbono o pilas comunes están formadas por un recipiente cilíndrico de cinc, que es el polo negativo, relleno de una pasta electrolítica, y por una barra de carbón en el centro (electrodo

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