Es muy
difícil conocer el nacimiento de la electroquímica, pues existen evidencias que
indican, la existencia de baterías y acumuladores de energía eléctrica, desde
la antigüedad. Es muy difícil conocer el nacimiento de la electroquímica, pues
existen evidencias que indican la existencia de baterías y acumuladores de
energía eléctrica desde la antigüedad. Los antecedentes acerca del conocimiento
de la electricidad en términos científicos vinieron muchos siglos después,
gracias a los trabajos con el magnetismo y los principios de la electricidad de
los siglos XVII Y XVIII dados tanto por William Gilbert, llamado el padre del
magnetismo y por Otto Von Guericke quien creó el primer generador eléctrico,
que producía electricidad estática generando fricción en un aparato en forma de
esfera. Todo ello sumado a los aportes de Charles François de Cisternay Du Fay
(teoría de la polaridad), Benjamín Franklin (electricidad atmosférica), charles
Agustín de Coulomb (teoría de atracción electrostática) en 1781 y los estudios de Joseph
Priestley en Inglaterra, se logró pavimentar el camino para el nacimiento
científico de la electroquímica.
La
electroquímica es una rama de la química que estudia la transformación de la
energía eléctrica y la energía química. Las reacciones químicas en donde se
tienen a cabo transferencia de electrones se conocen como reacciones redóx,
dentro de la electroquímica este proceso es fundamental, puesto que estas son
el motor principal para la aparición de una corriente eléctrica, o las
reacciones son producidas por la misma. Ya que la electroquímica basa sus
estudios en estas reacciones ya sea que se encuentres separadas físicamente o
temporalmente, se encuentran conectadas a un circuito eléctrico, esto llevado
hacia la química analítica nos conlleva a una disciplina conocida como la
potenciometría.
Definiciones:
- Oxidación: Es el proceso por el cual una especie en una reacción química pierde uno o más electrones y por lo tanto incrementa su estado de oxidación.
- Reducción: Es el proceso por el cual una especie en una reacción química gana uno o más electrones y por lo tanto reduce su estado de oxidación.
- Oxidante: Es una especie capaz de oxidar a otra, por lo tanto, puede adquirir en los electrones perdidos por esta otra especie química, por lo tanto, oxida reduciéndose.
- Reductor: Es una especie capaz de reducir a otra, esto es puede ceder él(los) electrón(es) que requiere esta otra especie química, por lo tanto, reduce oxidándose.
Como se puede deducir de lo anterior, para que un oxidante oxide, se requiere de la presencia de un reductor que se reduzca y viceversa. Esto es para que una reacción redóx ocurra se requiere de por lo menos un oxidante y un reductor.
Celdas Electroquímicas
Son dispositivos utilizados para su descomposición a
través de una corriente eléctrica producida por sustancias iónicas.
Dicha
corriente eléctrica es producida por una reacción redóx (de óxido
reducción) espontánea, en donde la sustancia reductora es separada de la
oxidante, de modo
que los electrones deben atravesar un alambre de la sustancia reductora
hacia
la oxidante. Al existir una diferencia de potencial existe una
transferencia de
electrones, los cuales fluyen desde el ánodo hacia el cátodo. Las celdas
electroquímicas se utilizan principalmente con dos fines: transformar la
energía eléctrica en química y viceversa.
En una celda electroquímica teniendo en cuenta la reacción que se lleve a cabo dentro de ella, el agente reductor pierde electrones por lo cual se oxida, el electrodo donde se realiza la oxidación se llama ánodo, por otro lado, el agente oxidante gana electrones por lo que se reduce, este proceso se lleva a cabo en el electrodo llamado cátodo. La corriente eléctrica fluye del ánodo al
cátodo puesto que existe una diferencia de potencial entre los electrodos, esta
diferencia de potencial se mide de forma experimental con un voltímetro, esta
medida nos da la lectura del voltaje de celda, también llamado fuerza
electromotriz (fem) o potencial de celda. Los electrodos pueden ser de
cualquier material que sea conductor eléctrico, como los metales, también es
muy utilizado el grafito debido a su gran conductividad y a su bajo costo. Para
completar el circuito las disoluciones se conectan mediante un conductor pro el que pasan
los cationes y aniones, también llamado puente salino. Los cationes (iones con
carga positiva) disueltos se mueven hacia el ánodo y los aniones hacia el cátodo,
la corriente eléctrica fluye del ánodo al cátodo puesto que hay una diferencia
de potencial entre los dos electrolitos.
Para que circule una corriente en una celda es necesario:
1° Que los electrodos se conecten externamente mediante un conductor metálico.
2° Que las dos soluciones de electrolito estén en contacto para permitir el movimiento de los iones de una a otra.
3° Que pueda tener lugar una reacción de transferencia de electrones en cada uno de los electrodos.
Propiedades Eléctricas de una Pila
Una vez fijada la tensión, la ley de Ohm determina la corriente que circulará por la carga y consecuentemente el trabajo que podrá realizarse, siempre naturalmente que esté dentro de las posibilidades de la pila, que no son infinitas, viniendo limitadas fundamentalmente por el tamaño de los electrodos (lo que determina el tamaño externo de la pila completa) y por su separación.
Símbolo de una pila (izquierda); modelo eléctrico simplificado (centro); modelo más elaborado (derecha).
1° Estos condicionamientos físicos se representan en el modelo de generador como una resistencia interna por la que pasaría la corriente de un generador ideal, es decir, de uno que pudiese suministrar una corriente infinita al voltaje predeterminado.
2° Conforme la célula se va gastando, su resistencia interna va aumentando, lo que hace que la tensión disponible sobre la carga vaya disminuyendo, hasta que resulte insuficiente para los fines deseados, momento en el que es necesario reemplazarla.
3° Para dar una idea, una pila nueva de las ordinarias de 1,5 V tiene una resistencia interna de unos 0,35 Ω, mientras que una vez agotada puede tener varios.
Hay dos tipos fundamentales de celdas y en ambas tienen lugar una reacción redóx y la conversión o transformación de un tipo de energía en otra.
- Celda Galvánica o Voltaica: Son las que almacenan energía eléctrica y es la que transforma una reacción química espontanea en una corriente eléctrica como pilas o baterías. En una celda galvánica donde el ánodo sea una barra de Cinc y el cátodo sea una barra de Cobre, ambas sumergidas en soluciones de sus respectivos sulfatos, y unidas por un puente salino se le conoce como la Pila de Daniell.
Pila de
Daniell: La pila Daniell consta de:
1° Dos placas, electrodos, una de Cu y otra de Zn. Dos disoluciones: una de sulfato de cobre (II) y otra de sulfato de Cinc ambas de concentración 0,1 M.
2° Un puente salino (tubo en U) de nitrato de potasio entre las dos disoluciones. Los extremos del tubo los taponamos con fibra de vidrio.
3° También puede ponerse una disolución y su electrodo en un vaso poroso (como un tiesto de barro) y éste en un vaso mayor que contenga la otra disolución y su electrodo. El vaso poroso hace la misma función que el puente salino: introduce iones nitrato, e iones potasio en las disoluciones para neutralizarlas.
Las celdas o células galvánicas se clasifican en dos grandes categorías:
1. Las celdas primarias: Transforman la energía química en energía eléctrica, de manera irreversible (dentro de los límites de la práctica). Cuando se agota la cantidad inicial de reactivos presentes en la pila, la energía no puede ser fácilmente restaurada o devuelta a la celda electroquímica por medios eléctricos.
2. Las celdas secundarias: Son las que pueden ser recargadas, es decir, que pueden revertir sus reacciones químicas mediante el suministro de energía eléctrica a la celda, hasta el restablecimiento de su composición original.
- Celda Electrolítica: Esta celda requiere una fuente externa de energía eléctrica para poder funcionar y es la que transforma una corriente eléctrica en una reacción química de oxidación-reducción que no tiene lugar en modo espontaneo. También se le conoce como cuba electrolítica, pero a diferencia de la celda voltaica en la electrolítica los dos electrodos no necesitan estar separados, puesto que solo hay un solo recipiente en el que tiene lugar las dos semi-reacciones. Una celda electrolítica consta de un líquido llamado electrolito, además de unos electrodos de composición similar, la celda como tal no sirve como fuente de energía eléctrica en contraste con las celdas galvánicas, pero puede conducir una corriente eléctrica desde una fuente externa denominada acción electrolítica, es muy usada en electro deposición, electro formación, producción de gases y realización de muchos procedimientos industriales.
Constituyentes de una celda: (Sea Voltaica o electrolítica)
- Cátodo: Se define como el electrodo en el cual se produce la reducción porque algunas especies ganan electrones, y este posee carga negativa y a él van iones o cargas positivas.
M———>M+ +
1e-
- Ánodo: Es el electrodo en el cual se produce la oxidación porque algunas especies pierden electrones. Este posee carga positiva y a él van iones o cargas negativas.
M+ + 1e-———>M
- Puente Salino: Es un tubo en forma de U, con un electrolito en un gel que está conectado a las dos semi-celdas de una celda galvánica. El puente salino permite el flujo de iones, pero evita la mezcla de las disoluciones diferentes que podría permitir la reacción directa de los reactivos de la celda; también mantiene la neutralidad eléctrica en cada semi-celda.
- Voltímetro: Permite el paso de los electrones cerrando el circuito. Mide la diferencia de potencial eléctrico entre el ánodo y el cátodo siendo la lectura el valor del voltaje de la celda.
Las celdas electroquímicas son importantes en métodos electroquímicos como la voltamperometría, en la que sustancias electro activo como los iones metálicos se reducen en un electrodo para producir una cantidad medible de corriente aplicando un potencial adecuado para hacer que ocurra la reacción no espontanea.
Uso de las celdas electroquímicas
Un ejemplo común de celda electroquímica es la "pila" estándar de 1,5 voltios. En realidad, una "pila" es una celda galvánica simple, mientras una batería consta de varias celdas conectadas en serie.
En cuanto a su uso es muy variado, desde las cámaras electrónicas, las baterías recargables de la computadora, los marcapasos, los radios, los aparatos eléctricos, las mini televisiones, los celulares, algunos aires acondicionados o calentadores, secadores de pelo, calculadoras, baterías de coche, o cualquier otro motor como tractores, camiones, aviones, motonetas, lanchas, motos de agua, relojes.
Potencial de una Celda:
1° La celda convierte la energía que se genera de forma espontánea (∆G) en esta reacción en energía cinética de los electrones, lo que da lugar a la corriente eléctrica.
2° Esta corriente fluye desde el electrodo negativo (ánodo) hacia el cátodo (electrodo positivo).
3° Este flujo se debe a una diferencia de voltaje o potencial eléctrico entre los dos electrodos de la celda, lo cual se conoce como potencial de celda (E celda) o fuerza electromotriz (fem).
Predicción de la espontaneidad de una celda:
De forma general, cuando evaluamos si una reacción química puede tener lugar, nos referimos a un aspecto termodinámico: Concretamente, a la variación de energía libre de Gibbs entre reactivos y productos. Es en base a este parámetro que determinaremos si una reacción química es o no es espontánea. Podemos verlo gráficamente en el siguiente diagrama:
1° Una variación de energía libre de Gibbs negativa, implica un proceso espontáneo. Diremos que la reacción se produce.
2° Una variación de energía libre de Gibbs positiva, implica un proceso no espontáneo. Diremos que la reacción no se produce.
Por tanto, como vemos, será la espontaneidad o no espontaneidad de la reacción, lo que determinará que el proceso se produzca o no se produzca.
Tipos de Electrodos:
Aquí describiremos algunas clases importantes de electrodos y presentaremos las reacciones de media celda y la ecuación de Nernst para cada uno de ellos.
Potencial normal del electrodo:
El potencial normal de electrodo es una constante física fundamental que de una descripción cuantitativa de la fuerza con la cual tiende a ocurrir una semi-reacción. En su respecto, hay que tener presentes varios hechos. Primeramente, que el potencial normal de electrodo depende de la temperatura a la que se determinó. En segundo lugar, que el potencial normal de electrodo es una cantidad relativa en el sentido en que es realmente el potencial de una pila uno de cuyos electrodos es un patrón de referencia especificado con detalles. Esto es, el electrodo normal de hidrógeno, a cuyo potencial se atribuye el valor de cero. En tercer lugar, que el signo que se da a un potencial normal de electrodo dado depende del sentido de la reacción espontánea respecto al electrodo normal de hidrógeno, en las condiciones señaladas de actividad. Podemos encontrarnos con potenciales normales de oxidación y con potenciales normales de reducción: Para una semi-reacción dada difieren solamente en el signo. Así, el valor numérico de un potencial normal de electrodo es inútil a menos que se especifique el sentido de la reacción y la convención de los signos que se use. Finalmente, el valor del potencial normal es una medida de la intensidad de la fuerza directriz de una semi-reacción. Como tal, es independiente de la notación empleada para expresar el proceso de la semi-pila. Así, el potencial de la reacción.
Potenciales Formales:
El potencial formal E0 de un sistema es el potencial de la semi-celda con respecto al electrodo estándar de hidrógeno, medido de manera que la relación entre las concentraciones analíticas de reactivos y los productos, como aparece en la ecuación de Nernst, sea exactamente la unidad y las concentraciones de todas las otras especies del sistema estén cuidadosamente especificadas.
Ejemplo:
Se obtendrá midiendo el potencial de la celda mostrada en la figura. El electrodo de la derecha es un electrodo de plata sumergido en una solución de 1M de AgNO3 y 1M en HClO4; el electrodo de referencia de la izquierda es un electrodo normal o estándar de hidrógeno. Esta celda da lugar a un potencial de +0.792V, que es el potencial formal del para Ag+/Ag En HClO4 1M.
Dentro del grupo de los sistemas fundamentales del cuerpo humano se encuentra el sistema nervioso. Es gracias a este sistema que los humanos tenemos la percepción del mundo real, lo captamos mediante los sentidos y el sistema nervioso se ocupa de transmitir esa información a diferentes partes del organismo. Básicamente, nos permite entender nuestro entorno y realiza las acciones adecuadas para la correcta y coordinada interacción con éste.
Las neuronas son las células funcionales del tejido nervioso, y por las cuales se transmite la información que llega al sistema nervioso. Las neuronas están conectadas unas con otras y se van intercambiando señales que el organismo puede entender. Gracias a ellas podemos pensar, movernos o sentir.
Esquema de una Neurona
La comunicación entre las neuronas se realiza mediante una señal electroquímica, el potencial de acción.
Las neuronas como otras células, poseen una membrana plasmática que está en contacto por un lado con el interior de la célula y por el otro lado con el exterior. Una de las características más importantes de esta membrana es que posee permeabilidad selectiva, es decir, deja pasar ciertas sustancias en determinadas situaciones tanto hacia el exterior de la célula como hacia el interior.
Uso de las celdas electroquímicas
Un ejemplo común de celda electroquímica es la "pila" estándar de 1,5 voltios. En realidad, una "pila" es una celda galvánica simple, mientras una batería consta de varias celdas conectadas en serie.
En cuanto a su uso es muy variado, desde las cámaras electrónicas, las baterías recargables de la computadora, los marcapasos, los radios, los aparatos eléctricos, las mini televisiones, los celulares, algunos aires acondicionados o calentadores, secadores de pelo, calculadoras, baterías de coche, o cualquier otro motor como tractores, camiones, aviones, motonetas, lanchas, motos de agua, relojes.
Potencial de una Celda:
1° La celda convierte la energía que se genera de forma espontánea (∆G) en esta reacción en energía cinética de los electrones, lo que da lugar a la corriente eléctrica.
2° Esta corriente fluye desde el electrodo negativo (ánodo) hacia el cátodo (electrodo positivo).
3° Este flujo se debe a una diferencia de voltaje o potencial eléctrico entre los dos electrodos de la celda, lo cual se conoce como potencial de celda (E celda) o fuerza electromotriz (fem).
Predicción de la espontaneidad de una celda:
De forma general, cuando evaluamos si una reacción química puede tener lugar, nos referimos a un aspecto termodinámico: Concretamente, a la variación de energía libre de Gibbs entre reactivos y productos. Es en base a este parámetro que determinaremos si una reacción química es o no es espontánea. Podemos verlo gráficamente en el siguiente diagrama:
1° Una variación de energía libre de Gibbs negativa, implica un proceso espontáneo. Diremos que la reacción se produce.
2° Una variación de energía libre de Gibbs positiva, implica un proceso no espontáneo. Diremos que la reacción no se produce.
Por tanto, como vemos, será la espontaneidad o no espontaneidad de la reacción, lo que determinará que el proceso se produzca o no se produzca.
Tipos de Electrodos:
Aquí describiremos algunas clases importantes de electrodos y presentaremos las reacciones de media celda y la ecuación de Nernst para cada uno de ellos.
- Electrodo de Gas-ion: Este electrodo está constituido por un colector inerte de electrones, como grafito o platino, en contacto con un gas y un ion soluble.
- Electrodo ion metálico-metal: Este electrodo consiste en una pieza de metal inmersa en una solución que contiene el ion metálico.
- Electrodo metal-sal insoluble-anión: Este electrodo se denomina a veces ¨electrodo de segundo tipo¨. Consta de una barra metálica inmersa en una solución que contiene una sal insoluble solida del metal y aniones de la sal. Existe una docena de electrodos de este tipo de uso corriente entre ellos tenemos.
- Electrodo de Calomel: Gran cantidad de mercurio liquido cubierto con una pasta de Calomel (cloruro mercurioso) y una solución KCl.
- Electrodo de mercurio-oxido mercurico: Gran cantidad de mercurio liquido cubierto con una pasta de óxido mercurico y una solución de una base.
- Electrodo de mercurio-sulfato mercurioso: Gran cantidad de mercurio liquido cubierto con una pasta de sulfato mercurioso y una solución que contiene sulfato.
- Electrodo de Óxido–reducción: Todo electrodo incluye en su operación una reacción de oxidación – reducción, pero a estos electrodos se les ha denominado de este modo redundante. Este electrodo tiene un colector de metal inerte, usualmente platino, sumergido en una solución que contiene dos especies solubles en estados diferentes de oxidación.
Potencial normal del electrodo:
El potencial normal de electrodo es una constante física fundamental que de una descripción cuantitativa de la fuerza con la cual tiende a ocurrir una semi-reacción. En su respecto, hay que tener presentes varios hechos. Primeramente, que el potencial normal de electrodo depende de la temperatura a la que se determinó. En segundo lugar, que el potencial normal de electrodo es una cantidad relativa en el sentido en que es realmente el potencial de una pila uno de cuyos electrodos es un patrón de referencia especificado con detalles. Esto es, el electrodo normal de hidrógeno, a cuyo potencial se atribuye el valor de cero. En tercer lugar, que el signo que se da a un potencial normal de electrodo dado depende del sentido de la reacción espontánea respecto al electrodo normal de hidrógeno, en las condiciones señaladas de actividad. Podemos encontrarnos con potenciales normales de oxidación y con potenciales normales de reducción: Para una semi-reacción dada difieren solamente en el signo. Así, el valor numérico de un potencial normal de electrodo es inútil a menos que se especifique el sentido de la reacción y la convención de los signos que se use. Finalmente, el valor del potencial normal es una medida de la intensidad de la fuerza directriz de una semi-reacción. Como tal, es independiente de la notación empleada para expresar el proceso de la semi-pila. Así, el potencial de la reacción.
Potenciales Formales:
El potencial formal E0 de un sistema es el potencial de la semi-celda con respecto al electrodo estándar de hidrógeno, medido de manera que la relación entre las concentraciones analíticas de reactivos y los productos, como aparece en la ecuación de Nernst, sea exactamente la unidad y las concentraciones de todas las otras especies del sistema estén cuidadosamente especificadas.
Ejemplo:
Equilibrios electroquímicos en los seres vivos.
Dentro del grupo de los sistemas fundamentales del cuerpo humano se encuentra el sistema nervioso. Es gracias a este sistema que los humanos tenemos la percepción del mundo real, lo captamos mediante los sentidos y el sistema nervioso se ocupa de transmitir esa información a diferentes partes del organismo. Básicamente, nos permite entender nuestro entorno y realiza las acciones adecuadas para la correcta y coordinada interacción con éste.
Las neuronas son las células funcionales del tejido nervioso, y por las cuales se transmite la información que llega al sistema nervioso. Las neuronas están conectadas unas con otras y se van intercambiando señales que el organismo puede entender. Gracias a ellas podemos pensar, movernos o sentir.
La comunicación entre las neuronas se realiza mediante una señal electroquímica, el potencial de acción.
Las neuronas como otras células, poseen una membrana plasmática que está en contacto por un lado con el interior de la célula y por el otro lado con el exterior. Una de las características más importantes de esta membrana es que posee permeabilidad selectiva, es decir, deja pasar ciertas sustancias en determinadas situaciones tanto hacia el exterior de la célula como hacia el interior.
Membrana Plasmática
En ambas fronteras de esta membrana están presentes diferentes iones, tanto positivos como negativos. Entre ellos, se encuentran K+ y Na+, que son esenciales para el potencial de acción.
Debido a estas sustancias iónicas que se encuentran a un lado y otro de la membrana, en ésta aparece una diferencia de potencial eléctrico, el potencial de membrana. Cuando este potencial se despolariza (mediante un estímulo externo), es decir, el potencial disminuye más allá de un cierto valor umbral, se genera un potencial de acción.
Estos cambios en el potencial de membrana son debidos a los movimientos de iones Na+ y K+ a través de la membrana plasmática de la neurona mediante fuerzas electroquímicas en los llamados canales iónicos.
En ambas fronteras de esta membrana están presentes diferentes iones, tanto positivos como negativos. Entre ellos, se encuentran K+ y Na+, que son esenciales para el potencial de acción.
Debido a estas sustancias iónicas que se encuentran a un lado y otro de la membrana, en ésta aparece una diferencia de potencial eléctrico, el potencial de membrana. Cuando este potencial se despolariza (mediante un estímulo externo), es decir, el potencial disminuye más allá de un cierto valor umbral, se genera un potencial de acción.
Estos cambios en el potencial de membrana son debidos a los movimientos de iones Na+ y K+ a través de la membrana plasmática de la neurona mediante fuerzas electroquímicas en los llamados canales iónicos.
Canales de Na+ y K+
Electroquímica , entre que reacciones redox me da un potencia de celda de 2voltios y además lo pueda hacerlo de manera experimental ayuda?
ResponderBorrar