¿Qué es una celda electroquímica? – Estructura y usos

Celdas electroquímicas

Hoy confiamos en nuestras computadoras portátiles, teléfonos celulares y audífonos para hacer nuestras vidas más fáciles y agradables. Pero, ¿de dónde viene la energía para estas cosas? ¡Electroquímica! Las células electroquímicas utilizan reacciones químicas para generar electricidad o, por el contrario, utilizan electricidad para activar reacciones químicas. Repasemos los dos tipos principales de celdas electroquímicas: electrolíticas y galvánicas.

Celdas electrolíticas frente a celdas galvánicas

Las células electrolíticas provocan reacciones químicas cuando se les aplica energía eléctrica. Consisten en dos electrodos que se sumergen en un líquido conductor, generalmente una solución acuosa o una sal fundida. Un suministro eléctrico está conectado a los electrodos y proporciona la energía para impulsar una reacción en la solución.

Este proceso se conoce como electrólisis . Un ejemplo de electrólisis es el aislamiento de sodio (Na) y cloro (Cl) del cloruro de sodio (NaCl). Se sumergen dos electrodos en NaCl fundido y se producen reacciones químicas en cada electrodo a medida que la fuente de energía bombea electrones de un electrodo al otro.

El electrodo en el que se pierden los electrones se conoce como ánodo , y el electrodo en el que se ganan los electrones es el cátodo . La oxidación o pérdida de electrones es el proceso que ocurre en el ánodo y la reducción o ganancia de electrones ocurre en el cátodo. La reacción general de reducción-oxidación, o reacción redox , para nuestro ejemplo de electrólisis es:

De este proceso se obtienen sodio elemental y cloro gaseoso. De manera similar, la mayoría de los metales que forman iones positivos se pueden obtener mediante electrólisis a partir de una solución de sus sales fundidas.

Las células galvánicas (también conocidas como células voltaicas) utilizan reacciones químicas para generar energía eléctrica. En una celda galvánica, la energía eléctrica se produce mediante una reacción química redox, en lugar de una reacción química producida por la electricidad. El ejemplo clásico de una reacción redox para una celda galvánica es la reacción entre soluciones acuosas de zinc (Zn) y cobre (Cu):

En esta celda, el zinc se oxida y el cobre se reduce. Inicialmente, esto produce un flujo de electrones a través de un cable conectado a las dos soluciones de electrodos separadas, pero a medida que la solución de zinc se carga positivamente por perder electrones y la solución de cobre se carga negativamente por ganarlos, ese flujo se detiene. ¡No más electrones cargados negativamente quieren fluir hacia la solución de cobre cargada negativamente!

Para resolver este problema y proporcionar un flujo continuo de electrones (lo que significa una fuente de electricidad), las soluciones de los electrodos deben permanecer eléctricamente neutrales. Esto se puede hacer con un puente de sal , un tubo en forma de U lleno de una solución salina concentrada. La solución en este tubo proporciona una forma para que los iones viajen entre las dos soluciones de electrodos para que puedan permanecer eléctricamente neutrales en carga. Esto permite el flujo continuo de electrones.

Resistencia interna

Incluso en el mundo de la electroquímica, nada bueno dura para siempre.

Las celdas electroquímicas están construidas con varios materiales, como el cable, las soluciones en sí y los contenedores. Todos estos materiales hacen que la celda tenga una propiedad llamada resistencia interna . A medida que la corriente fluye en la celda con el tiempo, esta resistencia hace que la celda pierda algo de su potencial o voltaje. Lo que queda del voltaje de la celda después de restar el voltaje perdido debido a la resistencia interna se llama diferencia de potencial terminal. Esto se expresa como:

En esta ecuación, V t.pd es la diferencia de potencial terminal; fem es la fuerza electromotriz, o cantidad ideal de energía (en voltios) proporcionada por la celda antes de que haya resistencia; I es la corriente en amperios; y r es la resistencia interna en ohmios.

Conexión en serie y en paralelo

En el mundo real, la energía para electrodomésticos, teléfonos móviles y otras tecnologías útiles no es suministrada por una simple celda electroquímica. En cambio, las celdas están dispuestas inteligentemente en varias configuraciones para aumentar la producción de energía (voltaje) y la corriente.

Colocar celdas voltaicas en serie significa conectar las celdas en una fila, con el extremo positivo de un terminal o electrodo conectado al electrodo negativo de la siguiente celda en la fila. En esta configuración, el voltaje siempre aumenta. Entonces, por ejemplo, si una batería contiene varias celdas en serie, puede entregar el voltaje de las sumas de los voltajes de todas esas celdas. Si se desea más energía de la batería, esto es una ventaja con respecto a contener solo una celda.

Sin embargo, una desventaja es que la resistencia de cada celda se suma para hacer una resistencia total mayor para la batería. Además, el voltaje de la batería depende del voltaje en cada celda. Entonces, si una celda disminuye de voltaje por alguna razón, eso afecta la producción de energía de toda la batería.

Colocar celdas galvánicas en paralelo significa conectar los terminales positivos juntos y los terminales negativos juntos. En esta configuración, el voltaje es el de una sola celda, pero es el mismo en todas las celdas de la batería. No depende de las células individuales. Sin embargo, la corriente que se entrega aumenta y la resistencia de la batería disminuye. Los electrodomésticos de un hogar se conectan en paralelo para que no sea necesario hacer funcionar todos a la vez para que ninguno de ellos funcione. Cada aparato recibe el voltaje total de una celda en paralelo y consume su propia corriente individual.

Usos

Las aplicaciones de las celdas electroquímicas son prácticamente ilimitadas. Un uso importante de las celdas electrolíticas es la galvanoplastia, que es el proceso de recubrir una sustancia conductora con una capa delgada de metal utilizando una corriente eléctrica. Esto es útil para mejorar la resistencia a la corrosión y abrasión de varios materiales. Las células electrolíticas también se utilizan en la purificación y producción de metales para uso industrial.

El uso más popular de la celda galvánica es en varios tipos de baterías, como la batería de un automóvil, la batería de litio de una cámara digital o la batería de óxido de plata de un audífono. Tenga en cuenta que no todas las celdas galvánicas usan metales en una sal para producir energía eléctrica. Las pilas de combustible, por ejemplo, convierten la energía de la oxidación de combustibles para producir electricidad.

Resumen de la lección

Las células electroquímicas utilizan reacciones químicas para generar electricidad o electricidad para activar reacciones químicas. Hay dos tipos: las celdas electroquímicas utilizan una fuente de energía aplicada para producir una reacción química; Las celdas galvánicas utilizan una reacción química, generalmente una reacción redox , para producir electricidad.

Las celdas electrolíticas constan de dos electrodos que se sumergen en un líquido conductor, que suele ser una solución acuosa o sal fundida. Las celdas galvánicas tienen dos electrodos, cada uno en su propia solución separada, que están conectados por un puente de sal que permite que los iones fluyan entre las soluciones. Esto los mantiene eléctricamente neutrales y permite el flujo continuo de electrones.

Todas las celdas electroquímicas tienen una resistencia interna , que proviene de las soluciones de las celdas y los materiales de los que están hechas. Esta resistencia reduce la cantidad de voltaje proporcionado por la celda a medida que se consume corriente.

Para optimizar la salida de energía o la corriente de una aplicación de celda electroquímica, las celdas que contiene se pueden configurar en serie (terminal positivo a terminal negativo) o en paralelo (positivos juntos, negativos juntos). Por ejemplo, en una batería, disponer las celdas en serie aumenta su voltaje total. Sin embargo, disponer las celdas en paralelo aumenta la corriente y disminuye la resistencia interna.