Celdas Galvanicas

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IV.3Celdas galvánicas

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Fecha:27/08/2013 Fecha: Fecha:

CONOCIMIENTOS PREVIOS.

¿De acuerdo a la energía libre de Gibbs, cuando se dice que una reacción química ocurrirá espontáneamente?

Cuando la P y la T sean constantes y el ∆G es negativo

Explicar que es la fuerza electromotriz (fem).

Se denomina fuerza electromotriz (Fem) a la energía preveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado.

De que depende el valor de la fem en una celda galvánica.

La fuerza electromotriz o potencial normal de una pila, depende de los electrodos que constituyen la celda galvánica y de las disoluciones en donde se sumergen. Sabiendo el potencial normal de reducción de cada electrodo y considerando que las disoluciones son de concentración 1 M, se puede determinar la fem de la pila.

¿Cuáles son las partes de una celda galvánica?

Explique cómo funciona un puente salino en una celda galvánica.

Un puente salino es un dispositivo que se coloca entre las dos semiceldas de una celda electroquímica o pila galvánica. El puente salino contiene un electrolito inerte respecto de la reacción de óxido reducción que ocurre en la celda, y cumple la función de conectar eléctricamente las dos semiceldas. El puente salino también mantiene la neutralidad eléctrica en cada semicelda.

El puente salino permite el flujo continuo de electrones de una semicelda a la otra. Si no existiera, la diferencia de potencial generada entre ambas semiceldas no permitiría el paso de más electrones. El puente salino es el que permite la movilidad de los iones para mantener la carga equilibrada en cada celda, y de esta manera, la reacción de óxido reducción sigue progresando y el flujo de electrones puede continuar.

¿Por qué en una celda galvánica no deben mezclarse las soluciones anódica y catódica, pero sí debe permitirse que se difundan los iones?

Se debe a que si mezclamos las soluciones anódica y catódica estaríamos neutralizando la pila, y no se podría producir el proceso de óxido-reducción. Se utiliza un puente iónico para permitir el traspaso de los iones (+) entre celdas, lo que produce la continuación del proceso Redox, pues actúa como una consecuencia de la circulación externa de electrones.

Investigar la ecuación de Nernst y su aplicación a las celdas galvánicas.

La ecuación de Nernst se utiliza para calcular el potencial de reducción de un electrodo fuera de las condiciones estándar (concentración 1 M, presión de 1 atm, temperatura de 298 K ó 25 ºC).

Aplicación a pilas

La fuerza electromotriz de una pila se calcula con la siguiente expresión:

Ambos potenciales de reducción se calculan con la ecuación de Nernst, por lo tanto sacando factor común y operando con los logaritmos se obtiene la siguiente ecuación:

Donde es la diferencia de potencial corregida de la pila y la diferencia de potencial de la pila en condiciones estándar, es decir calculada con las reacciones tabuladas, sin corregir con la ecuación de Nernst para electrodos.

¿Qué es una batería?

Una batería es una celda o una serie de celdas combinadas que pueden utilizarse como fuente de voltaje constante.

•Batería seca.- no tienen fluidos. Ej. La celda de Leclanche (Zn, MnO2 y amonio)

•Batería de mercurio.- usada en medicina (es muy cara) es seca y hecha de Zn, HgO y ZnO.

•Batería de Plomo.- usada en los automóviles (Pb, PbO2, H2

SO4)

• Baterías de Litio.- El litio es muy ligero y por lo tanto el reductor más fuerte y da hasta 3 volts y

Puede recargarse. Son de poca duración.

• Corrosión.- Deterioro de los metales por un proceso electroquímico.

• Electrólisis.-se utiliza la energía eléctrica para inducir una reacción química que no es espontánea

Y se conoce como Celda Electrolítica.

Investigar sobre las aplicaciones de las celdas galvánicas (por ejemplo, pila: eléctrica, primaria, combustible, secundaria, alcalina, batería, solar) y que reacciones se llevan a cabo.

Las pilas eléctricas básicamente consisten en dos electrodos metálicos sumergidos en un líquido, sólido o pasta que se llama electrolito. El electrolito es un conductor de iones.

Cuando los electrodos reaccionan con el electrolito, en uno de los electrodos (el ánodo) se producen electrones (oxidación), y en el otro (cátodo) se produce un defecto de electrones (reducción). Cuando los electrones sobrantes del ánodo pasan al cátodo a través de un conductor externo a la pila se produce una corriente eléctrica.

La pila primaria más común es la pila Leclanché o pila seca. 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 el recipiente 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 voltios.

Otra pila primaria muy utilizada es la pila de cinc-óxido de mercurio, conocida normalmente como batería de mercurio. Puede tener forma de disco pequeño y se utiliza en audífonos, células fotoeléctricas y relojes de pulsera eléctricos. El electrodo negativo es de cinc, el electrodo positivo de óxido de mercurio y el electrólito es una disolución de hidróxido de potasio.

Pila de combustible

Mecanismo electroquímico en el cual la energía de una reacción química se convierte directamente en electricidad. A diferencia de la pila eléctrica o batería, una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada; funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados desde fuera de la pila.

Una pila de combustible consiste en un ánodo en el que se inyecta el combustible —comúnmente hidrógeno, amoníaco o hidracina— y un cátodo en el que se introduce un oxidante —normalmente aire u oxígeno. Los dos electrodos de una pila de combustible están separados por un electrólito iónico conductor. En el caso de una pila de combustible de hidrógeno-oxígeno con un electrólito de hidróxido de metal alcalino, la reacción del ánodo es 2H2 + 4OH- → 4H 2O + 4e- y la reacción del cátodo es O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-. Los electrones generados en el ánodo se mueven por un circuito externo que contiene la carga y pasan al cátodo. Los iones OH- generados en el cátodo son conducidos por el electrólito al ánodo, donde se combinan con el hidrógeno y forman agua. El voltaje de la pila de combustible en este caso es de unos 1,2 V pero disminuye conforme aumenta la carga. El agua producida en el ánodo debe ser extraída continuamente para evitar que inunde la pila. Las pilas de combustible de hidrógeno-oxígeno que utilizan membranas de intercambio iónico o electrólitos de ácido fosfórico fueron utilizadas en los programas espaciales Gemini y Apolo respectivamente.

El acumulador o pila secundaria.

La pila de Planté era una batería de plomo y ácido, y es la que más se utiliza en la actualidad. Esta batería, que contiene de tres a seis pilas conectadas en serie, se usa en automóviles, camiones, aviones y otros vehículos. Su ventaja principal es que puede producir una corriente eléctrica suficiente para arrancar un motor; sin embargo, se agota rápidamente. El electrólito es una disolución diluida de ácido sulfúrico, el electrodo negativo es de plomo y el electrodo positivo de dióxido de plomo. En funcionamiento, el electrodo negativo de plomo se disocia en electrones libres e iones positivos de plomo. Los electrones se mueven por el circuito eléctrico externo y los iones positivos de plomo reaccionan con los iones sulfato del electrólito para formar sulfato de plomo. Cuando los electrones vuelven a entrar en la pila por el electrodo positivo de dióxido de plomo, se produce otra reacción química. El dióxido de plomo reacciona con los iones hidrógeno del electrólito y con los electrones formando agua e iones plomo; estos últimos se liberarán en el electrólito produciendo nuevamente sulfato de plomo.

Un acumulador de plomo y ácido se agota porque el ácido sulfúrico se transforma gradualmente en agua y en sulfato de plomo.

Las pilas solares

Producen electricidad por un proceso de conversión fotoeléctrica. La fuente de electricidad es una sustancia semiconductora fotosensible, como un cristal de silicio al que se le han añadido impurezas. Cuando la luz incide contra el cristal, los electrones se liberan de la superficie de éste y se dirigen a la superficie opuesta. Allí se recogen como corriente eléctrica. Las pilas solares tienen una vida muy larga y se utilizan sobre todo en los aviones, como fuente de electricidad para el equipo de a bordo.

Una pila voltaica aprovecha la electricidad de una reacción química espontánea para encender una bombilla (foco). Las tiras de cinc y cobre, dentro de disoluciones de ácido sulfúrico diluido y sulfato de cobre respectivamente, actúan como electrodos. El puente salino (puede ser cloruro de potasio) permite a los electrones

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