ELECTROQUIMICA

INTRODUCCIÓN

La electroquímica, estudia los cambios químicos que producen una corriente eléctrica y la generación de electricidad mediante reacciones químicas. Es por ello, que el campo de la electroquímica ha sido dividido en dos grandes secciones. La primera de ellas es la Electrólisis, la cual se refiere a las reacciones químicas que se producen por acción de una corriente eléctrica. La otra sección se refiere a aquellas reacciones químicas que generan una corriente eléctrica, éste proceso se lleva a cabo en una celda o pila galvánica.

Los procesos electroquímicos industriales están entre las tecnologías químicas más interesantes e innovadoras, particularmente en los casos en que se busquen síntesis de bajo costo de productos de pequeña escala, alta pureza y alto valor agregado (productos de la química fina). Las características singulares de los procesos electroquímicos son que el electrodo actúa como un catalizador fácilmente reciclable a través del reactivo químico más económico, el electrón, que actúa en condiciones normales de temperatura y presión y puede ser fácilmente controlado.

ELECTROQUÍMICA

Parte de la química que trata de la relación entre las corrientes eléctricas y las reacciones químicas, y de la conversión de la energía química en eléctrica y viceversa. En un sentido más amplio, la electroquímica 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.

IMPORTANCIA DE LA ELECTROQUÍMICA

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. Esta disciplina es muy versátil y lo mismo se puede aplicar en un método de análisis, en dispositivos de generación y almacenamiento de energía, que en el diseño y la evaluación de un proceso que prevenga o contrarreste la contaminación del agua y del suelo.

Existe la posibilidad de llevar a cabo una amplia gama de conversiones electroquímicas:

Empleo de equipos simples y poco costosos (el precio de la electricidad aumenta menos rápidamente que el de las drogas químicas).

1. Los métodos electroquímicos son rápidos, de fácil control automático y resultan en buenos rendimientos.

2. Simplicidad de trabajo: no se forman subproductos que luego deban ser eliminados al aislar y purificar la droga deseada, evitándose operaciones de extracción lo que disminuye el costo de fabricación.

3. Mayor eficiencia que con reactivos químicos oxidantes o reductores convencionales

4. los métodos electroquímicos son particularmente "verdes" (el reactivos es/son el/los electrón/es y el electrón es un reactivo no contaminante)

5. Se puede trabajar a temperatura ambiente, favoreciéndose ciertas reacciones difíciles variando su velocidad de reacción por modificación del potencial aplicado al electrodo de trabajo (Eapl).

6. Los procesos son más selectivos (el uso del potenciostato permite mantener el Eapl en un valor fijo previamente seleccionado).

7. Hay muchas reacciones que sólo pueden llevarse a cabo electroquímicamente.

RESEÑA HISTÓRICA DE LA ELECTROQUÍMICA

En la historia de la electroquímica no se puede dejar de hacer referencia a los primeros científicos que utilizaron la electricidad para sus experimentos. El más antiguo de ellos fue William Gilbert (1544-1603), quien descubrió el magnetismo por el paso de una corriente eléctrica, seguido de Otto von Guericke (1602-1686), quien construyó el primer generador de electricidad en su natal Alemania. A mediados del siglo xvi, el francés Charles Françoise de Cisternay du Fay (1698-1739) estableció que la electricidad podía tener dos signos: el positivo y el negativo, e incluso la explicó como dos tipos de fluido, el fluido positivo y el fluido negativo. No pasó mucho tiempo para que Benjamin Franklin (1706-1806) contradijera esta teoría y la rebatiera insistiendo en que la electricidad era sólo de un tipo de fluido. Posteriormente, aparecieron las disertaciones de Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806), quien dictó la ley de la atracción y repulsión electrostática en 1781, y en su honor se denominó la unidad de carga como el coulomb, representado por una letra C en el Sistema Internacional (si) de unidades.

El primer hecho histórico relacionado con la electroquímica y que trascendió en el estudio de la interacción de la electricidad con las reacciones químicas se atribuye al anatomista y médico italiano Luigi Galvani (1737-1798), quien propuso la existencia de “la electricidad animal”. Galvani publicó su ensayo titulado De Viribus Electricitatis in Motum Musculari Commentarius, donde propuso que el tejido animal tenía una fuerza vital desconocida que activaba los nervios y músculos cuando se tocaban con un metal. Esto lo demostró innumerables ocasiones utilizando las ancas de una rana muerta e incluso ranas vivas. En sus experimentos se pudo constatar que la contracción de los músculos se manifestaba por el paso de una corriente eléctrica. Independientemente de la veracidad de la fuerza vital desconocida, la contribución de Galvani fue determinante en el avance de las neurociencias. Por otra parte, el nombre de Galvani se asoció con el término “galvanizado”, que significa la formación de un recubrimiento protector sobre un metal por el paso de una corriente, creando una protección contra el fenómeno de corrosión de los materiales metálicos.

A inicios del siglo xix, se llevan a cabo los trabajos de Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827), profesor de filosofía natural en la Universidad de Pavia, Italia, que sirvieron de piedra angular para una serie de definiciones en física y electroquímica. Su fama creció cuando contradijo la hipótesis de Galvani y confirmó que no existe un tipo de electricidad animal, sino que la electricidad que hacía contraer los músculos de la rana se debía a la composición de los materiales de los cables que se utilizaban a los extremos de las ancas. Es decir, uno de los alambres era Cu y el otro era Zn y, en realidad, la electricidad fluía debido a la diferencia de potencial eléctrico de los dos metales. De hecho el dispositivo utilizado por Volta se conoce como la “pila voltaica”, cuyos electrodos son precisamente discos de Cu y Zn sumergidos en una solución que contiene iones que transportan la carga eléctrica en solución. En honor a Volta, se asignó la unidad de potencial eléctrico al Volt, V, en el si de unidades. La pila voltaica sirvió también para introducir la idea de la conducción iónica que es un mecanismo de conducción de la electricidad que presentan las sales disueltas en agua, también llamadas electrolitos. Aunque fue casi un siglo después que Arrhenius explicó la disociación de las sales en soluciones acuosas.

Al repetir el experimento de Volta, William Nicholson (1753-1815) quiso determinar las cargas en cada lado de la pila voltaica y por accidente dejó caer agua encima de las conexiones, percatándose de que se formaban burbujas de gas. Para comprobar sus sospechas, John Willen Ritter (1776-1810) sumergió las terminales de la pila en agua y observó el desprendimiento de burbujas de oxígeno e hidrógeno. Curiosamente la electricidad generada entre el Cu y Zn se aprovechó para descomponer el agua en sus elementos. A este proceso de descomposición del agua por el paso de una corriente eléctrica se le conoce con el nombre de “electrólisis”. En esta misma época también aparecieron los trabajos de Henry Cavendish (1731-1810), quien hizo experimentos de electrólisis cuantitativos para determinar la composición del agua (véase figura 3 para identificar la proporción dos de hidrógeno por uno de oxígeno).

A partir de esa época se desencadenaron innumerables investigaciones alrededor de la electroquímica. Por citar algunos ejemplos de interés tecnológico, está la técnica del electroplatinado, que consiste en recubrir una superficie con una capa de metal puro. Este procedimiento se hace partiendo de una sal del metal a depositar disuelta (de preferencia en agua) que asegure la presencia de cationes metálicos. Una vez disuelta la sal se hace pasar una corriente eléctrica entre dos electrodos sumergidos en la solución iónica. La formación de la capa de metal depositado se hace al incorporar los cationes sobre el cátodo y se le denomina “reacción de reducción”. Es por esto que las piezas que se van a recubrir de metal deben funcionar como cátodos en una celda de electroplatinado.

El mismo principio de la celda de electroplatinado se utiliza para la refinación de metales. De esta técnica existen dos variantes, la primera se hace a partir de soluciones acuosas que contienen al metal que se desea refinar en forma catiónica (similar al electroplatinado). La segunda se hace a partir de lingotes impuros que se conectan como ánodos. Al quedar sumergidos los ánodos en una solución electrolítica, se lleva a cabo una disolución o reacción de oxidación y en el contraelectrodo (el cátodo) se realiza el electrodepósito del metal puro.

Cabe destacar que a mediados del siglo xix el interés se dirigió hacia mejorar las pilas o baterías utilizando diferentes materiales como electrodos y diversas soluciones electrolíticas.

Por breve que sea una reseña histórica de la electroquímica, ésta no puede dejar de mencionar al físico inglés Michael Faraday (1791-1867), quien sistematizó los experimentos de electrólisis. Faraday encontró un número que se repetía constantemente

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