Celda voltaica
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La celda galvánica o celda voltaica, es una celda electroquímica que obtiene la energía eléctrica a partir de reacciones redox espontáneas que tienen lugar dentro de la misma. Adquiere su nombre en honor de Luigi Galvani y Alessandro Volta respectivamente. Ocurren a través de un dispositivo en el que la transferencia de electrones, (de la semireacción de oxidación a la semireacción de reducción), se produce a través de un circuito externo en vez de ocurrir directamente entre los reactivos; de esta manera el flujo de electrones (corriente eléctrica) puede ser utilizado.
Sumario
Historia
En el siglo XVII, Otto Von Guericke inventó la primera máquina para producir electricidad. En la segunda mitad del siglo XVIII, Luigi Galvani Aloisio comenzó la investigación sobre la aplicación terapéutica de la electricidad. Después de diez años de investigación publicadas en las fuerzas de la electricidad en los movimientos musculares, llegó a la conclusión de que los músculos almacenan la electricidad (de la misma manera que una botella de Leiden ) y los nervios se encargan de la realización de la electricidad. En el siglo XVIII, Alessandro Volta, poniendo en práctica la experiencia de Luigi Galvani, descubrió algo curioso. Encontró que si dos metales diferentes se ponen en contacto entre sí, uno de los metales es ligeramente negativo y el otro ligeramente positivo. Se establece entre ellos, una diferencia de potencial, una tensión. Utilizando esta experiencia como base, concebida de una célula, que él llamó pila voltaica.
Características y usos
Si se tiene un solo sistema comprendido por un mismo par redox (la especie oxidada y la misma especie pero reducida) entonces el potencial será el mismo en todos los puntos y no se producirá una corriente. Lo anterior implica que cada especie susceptible de oxidarse o reducirse tiene una especie oxidada que actuará como oxidante siempre y cuando su potencial redox sea menor. Nótese que dos oxidantes no pueden reaccionar y dos reductores tampoco, debe de haber un agente oxidante y un agente reductor. El agente oxidante debe tener mayor potencial que el del par del agente reductor. Cuando la condición anterior se cumple, se genera de manera natural una diferencia de potencial eléctrico (electroquímico en este caso) el cual se puede medir en Volts (Voltios), es decir, el movimiento de electrones con una diferencia de potencial genera energía eléctrica.
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.
En una celda galvánica o voltaica (espontánea), a partir de las reacciones parciales en los electrodos, se genera una diferencia de potencial y se obtiene una corriente eléctrica. Por lo general, consta de dos metales diferentes conectados por un puente salino, o semiceldas individuales separadas por una membrana porosa. Volta fue el inventor de la pila voltaica, la primera pila eléctrica. En el uso común, la palabra pila es una celda galvánica única y una batería propiamente dicha la cual consta de varias celdas, conectadas en serie o paralelo.
Aunque en general se usan indistintamente los términos galvánica y voltaica, para designar a las celdas electroquímicas espontáneas, se puede hacer una distinción entre ellas. Una celda galvánica hace referencia al experimento de Galvani, ya que en ella, dos medias celdas se encuentran separadas entre sí por una unión líquida (pared porosa, puente salino, etc.), por ejemplo la celda Daniell(a). La celda voltaica, por otro lado, es una celda espontánea onstituida por un solo líquido (b). Imgen Daniel
Funcionamiento de una celda galvánica
El funcionamiento de la celda se basa en el principio de que la oxidación de Zn a Zn2+ y la reducción de Cu2+ a Cu se pueden llevar a cabo simultáneamente, pero en recipientes separados por un puente salino, con la transferencia de electrones, e-, a través de un alambre conductor metálico externo. Las láminas de zinc y cobre son electrodos.
En la semicelda anódica ocurren las oxidaciones, mientras que en la semicelda catódica ocurren las reducciones. El electrodo anódico, conduce los electrones que son liberados en la reacción de oxidación, hacia los conductores metálicos. Estos conductores eléctricos conducen los electrones y los llevan hasta el electrodo catódico; los electrones entran así a la semicelda catódica produciéndose en ella la reducción.
Componentes
La celda galvánica, consta de una lámina de zinc metálico, Zn (electrodo anódico), sumergida en una disolución de sulfato de zinc, ZnSO4, 1 M (solución anódica) y una lámina de cobre metálico, Cu (electrodo catódico), sumergido en una disolución de sulfato de cobre, CuSO4, 1 M (solución catódica).
Los electrodos son la superficie de contacto entre el conductor metálico y la solución de semicelda (anódica o catódica). Si el electrodo no participan de la reacción redox (ni se oxida ni se reduce), se le llama electrodo inerte o pasivo. Cuando participa de la reacción redox, como es este caso, se denomina electrodo activo. En la semicelda anódica ocurren las oxidaciones, mientras que en la semicelda catódica ocurren las reducciones. El electrodo anódico, conduce los electrones que son liberados.
En la reacción de oxidación, hacia los conductores metálicos. Estos conductores eléctricos conducen los electrones y los llevan hasta el electrodo catódico; los electrones entran así a la semicelda catódica produciéndose en ella la reducción. El electrodo en el que se produce la oxidación es el ánodo y en el que se lleva a cabo la reducción es el cátodo. Los electrones quedan libres a medida que el zinc metálico se oxida en el ánodo; fluyen a través del circuito externo hacia el cátodo, donde se consumen conforme el Cu2+(ac) se reduce.
Al oxidarse el Zn(s) en la celda, el electrodo de zinc pierde masa y la concentración de Zn2+(ac) en la solución aumenta con el funcionamiento de la celda. De manera similar, el electrodo de cobre gana masa y la solución de Cu2+(ac) se hace menos concentrada a medida que éste se reduce a Cu(s). Ánodo (oxidación) Zn(s) → Zn2+(ac) Cátodo (reducción) Cu2+(ac) + 2e- → Cu(s)
Los signos que adjudicamos a los electrodos de una celda voltaica. Hemos visto que se liberan electrones en el ánodo conforme el zinc se oxida y fluyen al circuito externo. Puesto que los electrones tienen carga negativa, adjudicamos un signo negativo al ánodo. Por el contrario, los electrones fluyen hacia el cátodo, donde se consumen en la reducción del cobre. En consecuencia, se confiere un signo positivo al cátodo porque parece atraer a los electrones negativos.
Con el funcionamiento de la celda, la oxidación del Zn introduce iones Zn2+ adicional en el compartimiento del ánodo. A menos que se proporcione un medio para neutralizar esta carga positiva, no podrá haber más oxidación. De manera similar, la reducción del Cu2+ en el cátodo deja un exceso de carga negativa en solución en ese compartimiento. La neutralidad eléctrica se conserva al haber una migración de iones a través un puente salino o como en este caso, a través de una barrera porosa que separa los dos compartimientos. Los electrones fluyen desde el ánodo, de una celda voltaica, hacia el cátodo a causa de una diferencia de energía potencial.
La energía potencial de los electrones es mayor en el ánodo que en el cátodo, por esta razón, los electrones fluyen espontáneamente del primero al segundo a través de un circuito externo. La diferencia de energía potencial por carga eléctrica (la diferencia de potencial) entre dos electrodos se mide en voltios. Un voltio (V) es la diferencia de potencial que se requiere para impartir 1 Joule (J) de energía a una carga de 1 coulomb (C): La diferencia de potencial entre dos electrodos de una celda voltaica proporciona la fuerza motriz que empuja los electrones a través del circuito externo. Por consiguiente, se llama a esta diferencia de potencial fuerza electromotriz (que causa movimiento de electrones), o FEM.
Fuerza electromotriz de una celda
La FEM de una celda voltaica en particular depende de las reacciones específicas que se llevan a cabo en el cátodo y ánodo, la concentración de los reactivos y productos, y la temperatura. A 25 ºC en condiciones estándar: concentración 1 M de reactivos y productos en solución y 1 atm de presión para los gases. En condiciones estándar la fem se llama FEM estándar o potencial estándar de la celda. Por ejemplo, para la celda voltaica de Zn/Cu, el potencial estándar de celda a 25 ºC es 1,10 V:
Zn(s) + Cu2+(ac, 1 M) → Zn2+(ac, 1 M) + Cu(s) Eocelda = 1,10 V
La FEM de una celda, que se denota como Ecelda, se conoce como potencial de celda. La Ecelda se mide en voltios, solemos referirnos a ella como el voltaje de la celda. Cuando la reacciones redox, son espontáneas, liberan energía que se puede emplear para realizar un trabajo eléctrico. Para cualquier reacción de celda que se lleva a cabo espontáneamente, como en una celda voltaica, el potencial de celda es positivo.
Las celdas galvánicas almacenan energía química. En éstas, las reacciones en los electrodos ocurren espontáneamente y producen un flujo de electrones desde el cátodo al ánodo (a través de un circuito externo conductor). Dicho flujo de electrones genera un potencial eléctrico que puede ser medido experimentalmente.
Función del puente salino en la celda galvánica
Un puente salino se compone de un tubo en forma de "U" que contiene una solución muy concentrada de un electrólito, (por ejemplo: NaNO3(ac), NH4NO3(ac), NaCl(ac), KNO3(ac), entre otros) cuyos iones no reaccionan con los otros iones de la celda ni con el material de los electrodos.
Si no se utilizara un puente salino, esta diferencia de potencial evitaría el flujo de más electrones. Un puente salino permite el flujo de los iones para mantener un equilibrio en la carga entre los recipientes de la oxidación y la reducción mientras mantiene separado las dos soluciones. A medida que se produce la oxidación y la reducción de los electrodos, los iones del puente salino emigran para neutralizar la carga en los compartimientos de la celda. Los aniones emigran hacia el ánodo y los cationes hacia el cátodo.
De hecho, no se producirá un flujo medible de electrones a través del circuito externo, a menos que se proporcione un medio para que los iones emigren a través de la solución de un compartimiento al otro, con lo que el circuito se completa.
El electrólito se suele incorporar en un gel para que la solución de electrólito no escurra cuando se invierte el tubo en U.
A medida que se produce la oxidación y la reducción de los electrodos, los iones del puente salino emigran para neutralizar la carga en los compartimientos de la celda. Los aniones emigran hacia el ánodo y los cationes hacia el cátodo. De hecho, no se producirá un flujo medible de electrones a través del circuito externo, a menos que se proporcione un medio para que los iones emigren a través de la solución de un compartimiento al otro, con lo que el circuito se completa.
Galvánica en estética
Son tratamientos que consisten en aplicar corriente galvánica en la piel de la cara para lograr grandes resultados en limpieza facial. Los equipos de corriente galvánica usan dos diodos con forma de rodillo o bola que generan un flujo sostenido de electrones de un polo positivo al otro negativo.
