Células voltaicas
Una célula voltaica es un dispositivo que produce una corriente eléctrica a partir de la energía liberada por una reacción redox espontánea en dos semicélulas.
Objetivos de aprendizaje
Recuerde que la reducción ocurre en el cátodo y la oxidación ocurre en el ánodo en una célula voltaica
Conclusiones clave
Puntos clave
- La oxidación describe la pérdida de electrones por una molécula, átomo o ion.
- La reducción describe la ganancia de electrones por una molécula, átomo o ion.
- Los electrones siempre fluyen del ánodo al cátodo.
- Las semiceldas están conectadas por un puente salino que permite que los iones de la solución se muevan de una semicelda a la otra, para que la reacción pueda continuar.
Términos clave
- redox: Una reacción química reversible en la que una reacción es una oxidación y la inversa es una reducción.
- media celda: Cualquiera de las dos partes de una celda electroquímica que contiene un electrodo y un electrolito.
- célula voltaica: Una célula, como en una batería, en la que una reacción química irreversible genera electricidad; una célula que no se puede recargar.
Una célula electroquímica es un dispositivo que produce una corriente eléctrica a partir de la energía liberada por una reacción redox espontánea. Este tipo de celda incluye la celda galvánica, o voltaica, que lleva el nombre de Luigi Galvani y Alessandro Volta. Estos científicos llevaron a cabo varios experimentos sobre reacciones químicas y corriente eléctrica a finales del siglo XVIII.
Las células electroquímicas tienen dos electrodos conductores, llamados ánodo y cátodo. El ánodo se define como el electrodo donde se produce la oxidación. El cátodo es el electrodo donde se lleva a cabo la reducción. Los electrodos se pueden fabricar con cualquier material suficientemente conductor, como metales, semiconductores, grafito e incluso polímeros conductores. Entre estos electrodos está el electrolito, que contiene iones que pueden moverse libremente.
La célula voltaica utiliza dos electrodos metálicos diferentes, cada uno en una solución electrolítica. El ánodo se oxidará y el cátodo se reducirá. El metal del ánodo se oxidará, pasando de un estado de oxidación de 0 (en forma sólida) a un estado de oxidación positivo, y se convertirá en un ion. En el cátodo, el ion metálico en la solución aceptará uno o más electrones del cátodo, y el estado de oxidación del ion se reducirá a 0. Esto forma un metal sólido que se deposita en el cátodo. Los dos electrodos deben estar conectados eléctricamente entre sí, permitiendo un flujo de electrones que salen del metal del ánodo y fluyen a través de esta conexión a los iones en la superficie del cátodo. Este flujo de electrones es una corriente eléctrica que se puede usar para hacer trabajos, como girar un motor o encender una luz.
Reacción de ejemplo
El principio de funcionamiento de la célula voltaica es una reacción de oxidación y reducción simultánea, llamada reacción redox. Esta reacción redox consiste en dos semirreacciones. En una celda voltaica típica, el par redox es cobre y zinc, representado en las siguientes reacciones de media celda:
Electrodo de zinc (ánodo): Zn (s) → Zn2+(aq) + 2 e –
Electrodo de cobre (cátodo): Cu2+(aq) + 2 e– → Cu(s)
Las celdas se construyen en vasos de precipitados separados. Los electrodos metálicos se sumergen en soluciones electrolíticas. Cada media célula está conectada por un puente salino, que permite el transporte libre de especies iónicas entre las dos células. Cuando el circuito está completo, la corriente fluye y la célula «produce» energía eléctrica.
Una celda galvánica o voltaica: La celda consta de dos semiceldas conectadas a través de un puente salino o membrana permeable. Los electrodos se sumergen en soluciones electrolíticas y se conectan a través de una carga eléctrica.
El cobre oxida fácilmente el zinc; el ánodo es zinc y el cátodo es cobre. Los aniones en las soluciones son sulfatos de los metales respectivos. Cuando un dispositivo conductor eléctrico conecta los electrodos, la reacción electroquímica es:
Zn + Cu2 + → Zn2 + + Cu