Electroquimica

Teoría de la Electricidad

La electricidad es un fenómeno físico que se produce por la interacción de cargas eléctricas. Se manifiesta en una gran variedad de fenómenos como los rayos, la electricidad estática, la inducción electromagnética o el flujo de corriente eléctrica

El origen de la electricidad es atómico, es decir, el origen se encuentra en los átomos, más específicamente en los electrones. Los protones y neutrones se encuentran en el núcleo y los electrones giran en órbitas alrededor de los protones. Existen fuerzas eléctricas en el átomo que impiden que los electrones se escapen de sus órbitas o que se precipiten sobre el núcleo.

En condiciones normales el número de protones y de electrones es igual. Entonces se dice que el átomo se encuentra en un estado neutro. Los electrones tienen una carga negativa y se designa con un signo menos (-) Los protones tienen una carga positiva y se les designa con un signo más (+) Como ambas cargas son opuestas, existe una atracción entre ellas, además que se anulan sus cargas. Ciertos átomos que están en equilibrio, como algunos metales, tales como la plata, el oro, el cobre, el aluminio, etc., tienen los electrones de sus órbitas externas propensos a arrancarse de ellas, o también a recibir como “allegados” a electrones de otros átomos vecinos de elementos que a su vez tienen electrones más o menos “sueltos”. Esta capacidad hace que se comporten como conductores eléctricos.

Materiales conductores: Los conductores de electricidad son materiales que permiten la circulación de electricidad, tales como los metales o el agua, que se diferencian de aquellos que la aíslan, como la goma o el vidrio. Así, los cables por ejemplo tienen un interior de cobre, un buen conductor de energía, y un exterior de goma, que es aislante, para hacer segura y eficaz la circulación de energía por los conductores.

Concepto de electroquímica

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. 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. Si una reacción química es conducida mediante una diferencia de potencial aplicada externamente, se hace referencia a una electrólisis. En cambio, si la caída de potencial eléctrico, es creada como consecuencia de la reacción química , se conoce como un "acumulador de energía eléctrica", también llamado batería o celda galvánica.

Celdas electrolíticas: son aquellas en las cuales la energía eléctrica que procede de una fuente externa provoca reacciones químicas no espontáneas generando un proceso denominado electrólisis. Las celdas electrolíticas constan de un recipiente para el material de reacción, dos electrodos sumergidos dentro de dicho material y conectados a una fuente de corriente directa.

Celdas voltaicas o bateria: son celdas electroquímicas en las cuales las reacciones espontáneas de óxido-reducción producen energía eléctrica. Las dos mitades de la reacción de óxido reducción, se encuentran separadas, por lo que la transferencia de electrones debe efectuarse a través de un circuito externo.

Reacciones redox

Las reacciones químicas donde se produce una transferencia de electrones entre moléculas se conocen como reacciones redox, y su importancia en 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.

En general, la electroquímica se encarga de estudiar las situaciones donde se dan reacciones de oxidación y reducción encontrándose separadas, físicamente o temporalmente, se encuentran en un entorno conectado a un circuito eléctrico. Esto último es motivo de estudio de la química analítica, en una subdisciplina conocida como análisis potenciométrico.

En dichas reacciones la energía liberada de una reacción espontánea se convierte en electricidad o bien se puede aprovechar para inducir una reacción química no espontánea.

Ajuste de ecuaciones Redox

Las reacciones electroquímicas se pueden ajustar por el método ión-electrón donde la reacción global se divide en dos semirreacciones (una de oxidación y otra de reducción), se efectúa el ajuste de carga y elemento, agregando H+, OH−, H2O y/o electrones para compensar los cambios de oxidación. Antes de empezar a balancear se tiene que determinar en que medio ocurre la reacción, debido a que se procede de una manera en particular para cada medio.

Leyes de Faraday de la Electrólisis: Michael Faraday, formuló las leyes de la electrólisis en 1833:

Primera Ley de Faraday:

“La masa de un producto obtenido o de reactivo consumido durante la reacción en un electrodo, es proporcional a la cantidad de carga (corriente x tiempo) que ha pasado a través del circuito”.

Esta primera ley, permite calcular, la cantidad de electricidad (en coulambios o faraday) para depositar un equivalente gramo de una sustancia.

Segunda Ley de Faraday:

“Las masas de diferentes sustancias producidas por el paso de la misma cantidad de electricidad, son directamente proporcionales a sus equivalentes gramos”.

Esta ley permite calcular la masa de diferentes sustancias depositadas por la misma cantidad de electricidad. La cantidad de elemento depositado por un Faraday (96.500 c) se conoce como equivalente electroquímico.

Las dos leyes de Faraday se cumplen para los electrolitos tanto fundidos como en solución. Su validez no se altera por variaciones de temperatura, presión, naturaleza del solvente y del voltaje aplicado.

Símbolos

La corriente se mide en ampere (A). La cantidad de carga se mide en coulomb (C); el coulomb se define como la cantidad de electricidad transmitida en un segundo mediante una corriente de un ampere. 1 A= 1 C/s La corriente se hace pasar a través del circuito mediante una diferencia de potencial eléctrico, el cual se mide en volts (V). Se necesita un joule de trabajo para mover un coulomb desde un potencial mas bajo a uno mas alto cuando la diferencia de potencial es de un volt. 1 V = 1 J/C Mientras mayor sea la diferencia de potencial entre dos puntos en un alambre dado, mayor será la corriente que transporte el alambre entre estos dos puntos. George Ohm, en 1826, expreso la relación cuantitativa entre la diferencia de potencial, ξ , en voltios y la corriente, I , en amperes, como I = ξ / R o ξ = I R Donde R se llama resistencia. La resistencia se mide en ohms (Ω). Se requiere un volt para transportar una corriente de un ampere a través de una resistencia de un ohm.

Importancia

La descomposición electrolítica es la base de un gran número de procesos de extracción y fabricación muy importantes en la industria moderna. La sosa cáustica (un producto químico importante para la fabricación de papel, rayón y película fotográfica) se produce por la electrólisis de una disolución de sal común en agua . La reacción produce cloro y sodio. El sodio reacciona a su vez con el agua de la pila electrolítica produciendo sosa cáustica. El cloro obtenido se utiliza en la fabricación de pasta de madera y papel. Una aplicación industrial importante de la electrólisis es el horno eléctrico, que se utiliza para fabricar aluminio, magnesio y sodio. En este horno, se calienta una carga de sales metálicas hasta que se funde y se ioniza. A continuación, se deposita el metal electrolíticamente. Los métodos electrolíticos se utilizan también para refinar el plomo, el estaño, el cobre, el oro y la plata. La ventaja de extraer o refinar metales por procesos electrolíticos es que el metal depositado es de gran pureza. La galvanotecnia, otra aplicación industrial electrolítica, se usa para depositar películas de metales preciosos en metales base. También se utiliza para depositar metales y aleaciones en piezas metálicas que precisen un recubrimiento resistente y duradero. La electroquímica ha avanzado recientemente desarrollando nuevas técnicas para colocar capas de material sobre los electrodos, aumentando así su eficacia y resistencia. Tras el descubrimiento de ciertos polímeros que conducen la electricidad, es posible fabricar electrodos de polímeros.

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