Cálculos con celdas voltaicas individuales y celdas electrolíticas

Resolución de problemas

Ann y Beth están trabajando juntas para determinar cómo calcular el voltaje de una celda voltaica simple. Ann ha hecho estos cálculos antes y está ayudando a Beth a resolver el problema. Beth comienza con las dos medias celdas. «Bueno, tenemos dos medias celdas , cobre metálico en una solución de sulfato de cobre (II) y zinc metálico en una solución de sulfato de zinc». «Correcto», responde Ann. «¿Cómo se llama el tubo que conecta las dos medias celdas?» Después de hacer una pausa por un breve momento, Beth afirma: «Es un puente de sal , que se utiliza para mantener la neutralidad de carga en las dos medias celdas». «De nuevo, correcto», dijo Ann. » Ahora, lo primero que tengo que hacer es determinar qué se oxida y qué se reduce ». «Eso es correcto», dice Ann. » Ahora, dime qué significan esos dos términos ». Bueno, en la oxidación un metal pierde electrones y su carga aumenta para formar un ión metálico cargado positivamente llamado catión , mientras que en la reducción un ión metálico gana electrones para formar un átomo metálico neutro. Recuérdame de nuevo cómo trabajo con estas ecuaciones ». Ann responde con una pista de tres palabras: «Potenciales de reducción estándar». Beth interviene: « Sí, busco las dos semirreacciones de reducción de la tabla de potenciales de reducción estándar y las comparo ».

Celda electroquímica con puente de sal

Potenciales de reducción estándar

Cu +2 (aq) + 2 e – → Cu (s) E 0 (V) = + 0,15 Zn +2 (aq) + 2 e – → Zn (s) E 0 (V) = – 0,76 Las semirreacciones se escriben como reacciones de reducción por convención y cada potencial de reacción de reducción se calcula en relación con la reducción de hidrógeno, que se establece en cero voltios.

Explicación del potencial de reducción estándar

Ann continúa ayudando a su amiga a resolver el problema. » Ahora, explíqueme qué significan estas ecuaciones ». Beth explica de memoria. » En el caso de la primera ecuación, el catión cobre-dos gana dos electrones para formar cobre metálico. Esta es una semirreacción de reducción porque la carga del ion cobre-dos está disminuyendo. El potencial de reducción estándar de 0,15 voltios positivos significa que la reacción favorecerá la formación del cobre metálico en el equilibrio. La segunda ecuación muestra que el catión zinc-dos también gana dos electrones para formar zinc metálico. Esta también es una semirreacción de reducción porque la carga del ion zinc-dos también llega a cero. El potencial de reducción estándar negativo para esta semirreacción indica que la reacción favorece a los reactivos en equilibrio ». «Ahora, ¿por qué se llaman reacciones a medias?», Pregunta Ann. » Eso es porque cada reacción es la mitad de una ecuación química balanceada para una reacción ». «Sí», dice Ann, «A continuación, es necesario observar las dos medias reacciones. El que tiene el potencial más positivo lo dejas como está. El otro lo cambia, de modo que ahora sea una semirreacción de oxidación , no una reducción. Recuerde cambiar el signo del potencial. Luego, los suma para obtener la ecuación completa de la reacción ». «¿Te refieres a esto?», Dice Beth. Cu +2 (aq) + 2 e – → Cu (s) E 0 (V) = + 0,15 Zn (s) → Zn +2 (aq) + 2 e – E 0 (V) = 0,76 Cu +2 (aq) + 2 e – + Zn (s) + → Zn +2 (aq) + 2 e – + Cu (s) E 0 (V) = 0,76 + 0,15 = 0,91 » Ahora, ¿ves que puedes cancelar los electrones de ambos lados de la ecuación para la reacción? » «Sí, lo hago», responde Beth. » Entonces, ahora las ecuaciones para la reacción se vuelven, » Cu +2 (aq) + Zn (s) → Zn +2 (aq) + Cu (s) E 0 (V) = 0,91 «¿Puede decirme cómo interpretar esta ecuación?», Preguntó Ann. «Seguro», respondió Beth. » En esta reacción, el ion cobre-dos es reducido por el metal zinc para formar el ion zinc-dos y el metal cobre. El ion cobre-dos se oxida y el zinc metálico se reduce . El potencial de reducción estándar de la reacción es de 0,91 voltios, lo que significa que la reacción es espontánea y el equilibrio favorece la formación de los productos ». » Ahora, ampliemos nuestro conocimiento examinando las celdas electrolíticas ».

Celda electrolítica

«Recuerde», dice Ann, «en la celda voltaica el cobre era el cátodo porque la reducción ocurrió en esa media celda y el zinc fue el ánodo porque la oxidación ocurrió en esa media celda». Y debido a las diferencias en los potenciales de reducción estándar de las dos comidas, la reacción fue espontánea en la dirección indicada por la ecuación que escribió. ¿Eso todavía tiene sentido? » «Sí», es la respuesta de Beth. «Ahora», prosigue Ann, «supongamos que queremos ejecutar la reacción hacia atrás, reduciendo el ion zinc-dos y oxidando el metal cobre. ¿Podríamos?» «No, no podríamos, porque no es espontáneo en esa dirección», es la respuesta de Beth. »Así es. Pero, podríamos si pudiéramos revertir de alguna manera la dirección del flujo de electrones para que los electrones fueran del cobre al zinc ». «¿Hay alguna forma de hacer eso?», Pregunta Beth. »Sí hay. Usamos una fuente de alimentación para generar electrones para que fluyan en la dirección que queremos », es la respuesta de Ann. » Ahora, mire el diagrama a continuación. Le mostrará cómo podemos hacer eso. Si conectamos una fuente de alimentación a las dos medias celdas en lugar de un voltímetro o amperímetro, podemos usarla para forzar a los electrones a moverse en la dirección opuesta ». Ann continúa: « ¿Puedes escribir las dos medias reacciones para el reacciones inversas? » Beth escribe, Cu (s) → Cu +2 (aq) + 2 e – E 0 (V) = – 0,15 Zn +2 (aq) + 2 e – → Zn (s) E 0 (V) = – 0,76 «Bien hecho», afirma Ann. » Ahora, escribe la ecuación balanceada para la reacción ». Nuevamente, escribe Beth, Cu (s) + Zn +2 (aq) → Zn (s) + Cu +2 (aq) E 0 (V) = – 0,76 – 0,15 = – 0,91

Comparación de tipo de celda

Ann continúa: «Ahora, observe que en la celda electrolítica la oxidación todavía ocurre en el ánodo y la reducción en el cátodo , pero las sustancias que se oxidan y reducen son opuestas a las que se encuentran en la celda voltaica». «Ya veo eso», dice Beth. » También noto que el voltaje es igual en tamaño pero de signo opuesto al de la celda voltaica. ¿Qué significa eso?» Ann responde: “Significa que ahora necesitamos suministrar 0,91 voltios para ejecutar la reacción de la celda electrolítica, mientras que en la reacción de la celda voltaica generamos 0,91 voltios. Tenga en cuenta también que en ambas celdas los electrones fluyen desde el ánodo al cátodo ».

Resumen de la lección

Las celdas voltaicas utilizan energía química para producir energía eléctrica mediante una reacción de reducción-oxidación . Debido a la diferencia de potencial entre el metal que se oxida y el catión metálico que se reduce , este tipo de celda reacciona espontáneamente y tiene un potencial celular positivo . En una celda electrolítica, una fuente externa de energía eléctrica produce energía química provocando que se produzca una reacción de reducción-oxidación que de otro modo no sería espontánea.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador