CELDAS ELECTROQUÍMICAS

Definición:

La celda electroquímica es un dispositivo experimental para generar electricidad mediante una reacción redox espontánea en donde la sustancia oxidante está separada de la reductora de manera que los electrones deben atravesar un alambre de la sustancia reductora hacia la oxidante.

En una celda el agente reductor pierde electrones por tanto se oxida. El electrodo en donde se verifica la oxidación se llama ánodo. En el otro electrodo la sustancia oxidante gana electrones y por tanto se reduce. El electrodo en que se verifica la reducción se llama cátodo.

La corriente eléctrica fluye del ánodo al cátodo porque hay una diferencia de energía potencial entre los electrodos. La diferencia de potencial eléctrico entre el ánodo y el cátodo se mide en forma experimental con un voltimetro, donde la lectura es el voltaje de la celda

Una celda voltaica aprovecha la electricidad de la reacción química espontánea para encender una lamparita, es decir, convierte energía potencial química en energía eléctrica. Las tiras de cinc y cobre, dentro de disoluciones de ácido sulfúrico diluido y sulfato de cobre respectivamente, actúan como electrodos (el derecho actúa como cátodo y el izquierdo como ánodo). El puente salino (en este caso cloruro de potasio) permite a los electrones fluir entre las cubetas sin que se mezclen las disoluciones. Cuando el circuito entre los dos sistemas se completa (como se muestra a la derecha), la reacción genera una corriente eléctrica.

Si ambas soluciones se conectan mediante un voltímetro su lectura acusará 1,10 V, esto debido a que el potencial de oxidación del Zn++ es 0,763 V y el del Cu++ es de -0,337 V, por lo tanto el cinc (de mayor potencial) le cede electrones al cobre (de menor potencial).

Obsérvese que el metal de la tira de cinc se consume (oxidación) y la tira desaparece. La tira de cobre crece al reaccionar los electrones con la disolución de sulfato de cobre para producir metal adicional (reducción). Si se sustituye la lamparita por una batería la reacción de una se invertirá, creando una celda electrolítica,convirtiendo energía eléctrica en energía potencial química

Partes de una Pila o celda:
    • Electrodo de oxidación (Ánodo, pérdida de electrones)
    • Electrodo de reducción (Cátodo, ganancia de electrones)
    • Medio para la transferencia de carga

Como temas fundamentales deberemos saber que una pila se basa en un proceso Redox, por lo tanto proviene de una reacción espontánea.
Las principales características de las pilas (también llamadas celdas galvánicas) son las siguientes:
- Los agentes reductores y oxidantes se conectan a través de un puente salino y se encuentran en diferentes recipientes;
- La f.e.m. (Fuerza electromotríz) producida por la pila genera una corriente externa.
Los electrones pasan, a través de un hilo conductor, hacia el otro recipiente produciendo la reducción de éste, con lo que queda claro que de donde provenían los electrones, era el recipiente donde se produjo la Oxidación de la solución.
El valor de la fem depende tanto de las concentraciones de las soluciones como de la temperatura y del potencial de cada especie que participa en el proceso Redox. Para lograr un patrón se definió al Potencial Normal de Oxidación (E° oxidación) como aquel medido en CNPT (1 atmósfera, 1 M y 25°C) con respecto al cero, que en este caso lo tiene el electrodo de Hidrógeno (en esas condiciones).
La ecuación para calcular el potencial de un electrodo fuera de esas condiciones la descubrió Walther Nernst y viene expresada como:


E = E° - R * T/N°e- * F Ln { [Oxidación]x / [Reducción]y }


Donde:
- X e Y:son los coeficiente estequeométricos de la ecuación de Oxidación y Reducción respectivamente;
- N°e-: es el número de electrones en juego en el proceso Redox;
- F: constante de Faraday (ver respuestas al cuestionario para definición);
- [ ]: Indica concentración de las especies.
La fem de las Pilas se calcula como la diferencia entre el potencial del electrodo donde se produce la Oxidación y el del electrodo donde se produce la Reducción:


f.e.m.= E Oxidación - E Reducción

 

REACCIONES REDOX


Cada vez que utilizamos un motor, una lámpara eléctrica o calórica o una bujía para encender la gasolina en una máquina de combustión interna, utilizamos el flujo de electrones para realizar trabajo. En el circuito que enciende un motor, la fuente de electrones es la batería que contiene dos especies químicas con diferente afinidad por los electrones. Los cables proveen del camino para el flujo de los electrones desde las especies en un polo de la batería, a través del motor a las especies químicas en el otro polo de la batería. Debido a que estas dos especies químicas difieren en su afinidad por los electrones, el flujo de electrones es espontáneo a través del circuito con una fuerza proporcional a la diferencia en la afinidad electrónica, i.e. la fuerza electromotriz (FEM). La FEM, típicamente de algunos voltios (volts), es acompañada de trabajo si se coloca un transductor de energía apropiado –en este caso el motor- en el circuito. Este acoplamiento del flujo de electrones y el trabajo, es utilizado por el motor para diferentes finalidades.

Las células poseen un circuito biológico análogo al motor, con compuestos relativamente reducidos como la glucosa como fuente de electrones. Como la glucosa es oxidada enzimáticamente, el flujo de electrones migra espontáneamente a través de una serie de intermediarios acarreadores de electrones a otras especies como el O2. este flujo de electrones es exergónico porque el O2 posee una elevada afinidad por los electrones comparada con los intermediarios acarreadores de electrones. La FEM resultante provee de energía a una variedad de transductores moléculaeculares de energía (enzimas y otras proteínas) que hacen trabajo biológico. En la mitocondria, por ejemplo, existen enzimas membranales que acoplan el flujo de electrones a la producción de una diferencia transmembranal de pH, lo cual es acompañando por trabajo osmótico y eléctrico. El gradiente de protones es energía potencial, a menudo denominada fuerza protón-motriz por analogía con la FEM. Por otra parte la enzima ATPsintasa ubicada en la membrana interna mitocondrial, utiliza esta fuerza protón-motriz para hacer trabajo químico, es decir, la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi a medida que los protones migran espontáneamente a través de la membrana.

Las oxidaciones y reducciones ocurren de manera concertada, pero es conveniente para describir la transferencia de electrones considerarlas en mitades, una de oxidación y otra de reducción.

 

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