Ánodo y Cátodo en reacción y notación de celdas electroquímicas

Celda electroquímica

Una celda electroquímica es un dispositivo que genera electricidad a partir de una reacción química o utiliza energía eléctrica para impulsar una reacción química. Las celdas electroquímicas que generan electricidad a partir de una reacción redox espontánea se denominan celdas voltaicas o galvánicas. Una batería es un ejemplo de celda voltaica. Las celdas electrolíticas son aquellas que requieren una fuente de electricidad para proporcionar el flujo de electrones que impulsa la reacción química. Los componentes principales de una celda electroquímica son el ánodo, el cátodo y el electrolito. El ánodo y el cátodo de una pila voltaica están separados en dos medias pilas y conectadas mediante un cable metálico. Para completar el circuito eléctrico, un puente salino permite que los iones fluyan entre las dos celdas. La solución electrolítica proporciona iones o partículas cargadas para la reacción química.

¿Qué son el ánodo y el cátodo?

El ánodo y el cátodo son electrodos. Como electrodos se utilizan conductores metálicos como zinc y hierro. Como conductores, los electrones se mueven fácilmente a través de estos metales. Esta alta reactividad de los metales es lo que hace que se corroan o se descompongan. En las celdas electroquímicas, los electrodos sólidos reaccionan con los iones de la solución electrolítica para generar un flujo de electrones. Estos electrones fluyen del ánodo al cátodo. Al ánodo se le puede llamar donador de electrones y al cátodo aceptor de electrones. En una celda galvánica, el ánodo es negativo y el cátodo positivo. Lo contrario ocurre con las celdas electrolíticas donde el ánodo es positivo y el cátodo es negativo. En cada electrodo se produce una reacción. Éstas se denominan reacciones de media celda.

Reacción anódica

La reacción en el ánodo es una reacción de oxidación. La oxidación implica la pérdida de electrones. Esta reacción está representada por la siguiente ecuación general:

$$X_{(s)}\rightarrow X^{+}_{(aq)}+e^- $$

Usando zinc como ánodo, la reacción del ánodo es:

$$Zn_{(s)}\rightarrow Zn^{2+}_{(aq)}+2e^- $$

Reacción catódica

La reacción en el cátodo es una reacción de reducción. La reducción implica la ganancia de electrones. Esta reacción está representada por la siguiente ecuación general:

$$Y^+_{(aq)}+e^-\rightarrow Y_{(s)} $$

Usando cobre como cátodo, la reacción catódica es:

$$Cu^{(2+)}_{(aq)}+2e^-\rightarrow Cu_{(s)} $$

Notación de celda

La notación de celdas es una forma simplificada de representar las dos semirreacciones. Por ejemplo, el zinc y el cobre tienen este aspecto:

$$Zn_{(s)}\mid Zn^{2+}_{(aq)}\parallel Cu^{2+}_{(aq)}\mid Cu_{(s)} $$

Las líneas simples representan un cambio entre la fase sólida y líquida o acuosa, y la línea doble representa el puente salino que conecta las medias celdas. Entonces, la notación de celda anterior muestra que el zinc sólido se ioniza en solución en una de las medias celdas, mientras que los iones de cobre ganan dos electrones para formar cobre sólido en la otra media celda.

Si se utilizan cromo y cobre como electrodos, la notación de las celdas se ve así:

$$Cr_{(s)}| Cr^{3+}_{(aq)}||Cu^{2+}_{(aq)}|Cu_{(s)} $$

Con la notación celular, se pueden identificar fácilmente el ánodo y el cátodo. Cuando se escribe la notación de celda, el ánodo siempre está a la izquierda de las líneas dobles y el cátodo siempre se escribe a la derecha. En la primera ecuación anterior, el zinc, escrito a la izquierda, es el ánodo y el cobre, escrito a la derecha, es el cátodo. De manera similar, en el segundo ejemplo, el cromo, escrito a la izquierda, es el ánodo y el cobre a la derecha es el cátodo. Este mismo dulce se utiliza al dibujar diagramas de celdas electroquímicas. El ánodo se muestra a la izquierda y el cátodo a la derecha.

Celda E de cátodo y ánodo

La celda E es una abreviatura del potencial electroquímico de la celda. Es una medida de la energía que la celda puede producir. El potencial electroquímico es el resultado de la diferencia en el número de cargas del ánodo y del cátodo. De manera similar, el potencial de cada electrodo es la diferencia entre el electrodo y su solución. Estos valores se pueden consultar en una tabla. Para determinar el potencial electroquímico de la celda, encuentre la diferencia en el potencial electroquímico del cátodo y el ánodo. Esto se representa en la ecuación:$$E^{\circ}_{cell}=E^{\circ}_{cátodo} – E^{\circ}_{ánodo} $$

Para usar esta ecuación, encuentre los potenciales electroquímicos de las semireacciones de oxidación y reducción en una tabla. Aquí hay un pequeño inconveniente. En las tablas, todas las semirreacciones están escritas como reducciones. Entonces, reste el potencial anódico porque la oxidación es lo opuesto a la reducción. Utilizando los valores de las semirreacciones de los electrodos de zinc y cobre:

$$Zn^{(2+)}_{(aq)}+2e^-\rightarrow Zn_{(s)} $$ $$E^\circ = -0.76v $$

y

$$Cu^{(2+)}_{(aq)}+2e^-\rightarrow Cu_{(s)} $$ $$E^\circ=0.34v $$

$$E^\circ = 0,34v + 0,76v = 1,10v $$

Ánodo versus cátodo

Ánodo	Cátodo
Sitio de media reacción de oxidación.	Sitio de reducción media reacción
los electrones se van	Los electrones se mueven hacia
Escrito/dibujado a la izquierda	Escrito/dibujado a la derecha
Negativo en celda galvánica, positivo en electrolítica.	Positivo en celdas galvánicas, negativo en electrolíticas.

Resumen de la lección

Una celda electroquímica implica un flujo de electrones y una reacción química. Hay dos tipos de celdas electroquímicas: galvánicas o voltaicas y electrolíticas. En las celdas galvánicas, como las baterías, la reacción química genera el flujo de electrones. En las celdas electrolíticas, una fuente externa proporciona electrones para impulsar la reacción química. Todas las celdas electroquímicas incluyen dos electrodos. En las celdas galvánicas están separados. Los electrones fluyen desde un electrodo llamado ánodo a un segundo electrodo llamado cátodo. Cuando las celdas electroquímicas o las reacciones químicas se escriben en la forma simplificada de notación de celda, el ánodo está a la izquierda y el cátodo a la derecha. En la celda ocurren dos reacciones químicas, una en cada electrodo. Éstas se llaman semirreacciones. La reacción en el ánodo es una reacción de oxidación que libera electrones. Luego, esos electrones fluyen a través de un cable hasta el cátodo, donde tiene lugar una reacción de reducción. La reacción de reducción ocurre cuando el cátodo gana electrones adicionales. El potencial electroquímico, abreviado E de celda, es una medida de la energía eléctrica de la celda. Está determinada por la diferencia de potenciales electroquímicos de los dos electrodos.