Electroquímica

La electroquímica investiga la creación de electricidad por medio de reacciones químicas. Hay muchos artefactos que ameritan emplear electricidad, sin tener acceso directo a una red eléctrica. Lo que demanda, como solución, el uso de las baterías. Estas son recipientes llenos de sustancias químicas que producen electrones por una reacción electroquímica.

Temas relacionados

Química inorgánica, reacciones redox

¿Qué es la electroquímica?

La electroquímica es una disciplina científico técnica de la fisicoquímica. Analiza los cambios en la inter cara o inter fase creada por un conductor y un electrolito. Se relaciona con variaciones en el canje de electrones y la producción de corriente por reacciones químicas. Es electrólisis, si la causa una diferencia de potencial externa, y batería, si es por una acción química.

Definición

La electroquímica es la correlación entre las corrientes eléctricas y las reacciones químicas. Asimismo, es la causa de transformación de la energía química en eléctrica y viceversa. De una forma más amplia trata de las reacciones químicas que ocasionan efectos eléctricos y de fenómenos químicos promovidos por la labor de corrientes o voltajes.

Características de la electroquímica

Tiene las subsiguientes particularidades:

• Reaccionan en medios heterogéneos: Suceden en una inter fase conductor sólido disolución. La disolución puede ser de origen acuoso o no.
• Se hallan fuera del equilibrio: Están supeditadas al tiempo. Las agrupaciones de las variedades que intervienen varían con éste en los alrededores de la inter fase.
• De una sola dirección: El intercambio de electrones se desplaza de una especie a otra. Utiliza conductores fluyendo desde el ánodo, en el cual una especie concede electrones, oxidándose, hacia el cátodo donde la otra especie los recoge, reduciéndose.

¿Qué estudia?

Estudia la modificación entre la energía eléctrica y la energía química. Es decir, las acciones químicas ocurridas en la inter fase de un conductor eléctrico y un conductor iónico. El conductor eléctrico es un electrodo, a saber un metal o un semiconductor. El conductor iónico es un electrolito, que puede ser una solución y en casos específicos, un objeto duro.

Igualmente, indaga situaciones donde ocurren reacciones de óxido reducción localizadas, en un ambiente conectado a una instalación eléctrica. En estas reacciones la energía liberada de una reacción natural se cambia a electricidad. O puede aprovecharse para provocar una reacción química no espontánea.

Origen

La electroquímica nace en 1791, en Italia; al ocurrir la fusión entre la bioquímica y la electricidad. En 1780, Luigi Galvani, anatómico, experimentaba sobre la consecuencia de las descargas eléctricas meteorológicas. En una ocasión, fijó la médula dorsal de una rana cortada en canal, a una estructura de hierro con fijadores de metal.

Con sorpresa observó, que las ancas del animal se sacudían con las descargas eléctricas y, por la acción del hierro y el latón. Por este suceso elabora los conceptos de electricidad animal, que luego se demuestra eran errados, y el de galvanismo. Este último referido a la creación de corriente eléctrica por contacto de dos metales diferentes, en ambiente húmedo.

La institucionalización de la electroquímica como ciencia corresponde a investigadores como Faraday, Daniell y Hittorf. Les siguieron otros, como Arrhenius, Nernst y Van’t Hoff. Quienes interpretaron investigaciones y sistematizaron impresiones conducentes al desarrollo de las teorías bases de la electroquímica.

Historia

Los referentes del conocimiento de la electricidad de Charles A. de Coulomb, atracción electrostática, 1781. Y las investigaciones de Davy, Cavendish y Humphry en el Reino Unido, iniciaron la senda hacia el comienzo de la electroquímica.

El aporte de A. Volta, primera batería, fue propicio para que, en la revolución industrial científicos como William Nicholson y Johann W. Ritter, instituyeran el método de la galvanoplastia. Posteriormente confluirían en la invención de la termoelectricidad por Thomas Johann Seebeck.

En el siglo XIX, M. Faraday, con sus leyes de la electrólisis y John Daniell, creador de la pila con solo iones metálicos, aclaran más el panorama. A fines de siglo, esta doctrina influye en campos como la teoría de conductividad de electrolitos, de Svante A. Arrhenius y Friedrich Ostwald. Del mismo modo que en el modelo matemático de las baterías de Walther Hermann Nernst.

En el siglo XX, la electroquímica permite el hallazgo de la carga del electrón por Millikan y establecer la teoría moderna de ácidos y bases de Brønsted y Lowry. Asímismo, los tratados de disciplinas significativas como las medicinales y biológicas con la electroforesis.

Lo anterior ha hecho que la electroquímica se enlace con temas numerosos como la cuántica de Revaz Dogonadze o Rudolph A. Marcus, inclusive las celdas foto voltaicas y quimio luminiscencia.

Conceptos claves

• Cátodo: Electrodo en el cual se produce la reducción, las especies ganan electrones. Posee carga negativa y a él migran los iones o cargas positivas.
• Ánodo: Electrodo donde se causa la oxidación, las especies pierden electrones. Tiene carga positiva y a él migran los iones o cargas negativas.
• Corriente eléctrica: Flujo de cargas resultado del movimiento de cargas eléctricas, originada por una diferencia de potencial.
• Conductor eléctrico: Es una entidad que, por su organización, admite que los electrones se desplacen a través de él con gran habilidad. Ejemplo los metales.
• Electrodo: Es un elemento que conduce electricidad, cierra un circuito y en sus extremos se crea una diferencia de potencial.
• Pila: O elemento galvánico es un sistema donde la energía química de una reacción es convertida en energía eléctrica.
• Batería: Dispositivo productor de energía eléctrica constituido por varias pilas.

Principios de la electroquímica

• Los electrolitos disueltos se disgregan parcialmente en iones cargados eléctricamente. La suma total de carga sobre los iones positivos, es igual a la carga total de los iones negativos. La disolución es neutra, principio de electro neutralidad.
• Los géneros son átomos cargados, que perduran idénticos en sustancias químicas similares o grupos de átomos henchidos, radicales de los electrolitos. Continúan iguales en sustancias químicas parecidas.
• Los iones proceden libremente unos de otros y de las moléculas no disgregadas. Forman fracciones diferentes con propiedades físicas y químicas peculiares.
• La descomposición de un electrolito es reversible. Los iones producidos se unen, a su vez, para formar nuevamente las moléculas de la mezcla correspondiente.
• La estabilidad entre las moléculas no disociadas y los iones, se traslada al disolver la solución incrementando la razón de los iones que estarán más alejados. Así es más difícil que se unan para formar nuevamente las moléculas.

Celdas

La mayoría de los sistemas reaccionantes están contenidos en una celda electroquímica. Las cuales se clasifican en tres:

• Celdas electrolíticas: Cuando la energía eléctrica oriunda de una fuente externa concibe que ocurra una reacción química no espontánea.
• Celdas galvánicas o voltaicas: La energía que se expide en una reacción redox espontánea, puede aprovecharse, para ejecutar un trabajo eléctrico.
• Celdas de combustible: Son aparatos que convierten la energía de una reacción electroquímica continua de oxidación, en energía eléctrica. No son espontáneas, ocurren solo cuando se sustentan de carburante y un oxidante.

Aplicaciones

Hoy existe mucha tecnología industrial que usa la electroquímica. Ejemplo es la hidrólisis del agua para producir hidrógeno. La hidrólisis del cloruro de sodio para elaboración de cloro-soda. La electrolisis de acrilo nitrilo para fabricación de adipo nitrilo.

Se emplea en el dispositivo de los alcoholímetros, donde un metal se oxida por electro deposición, detectando el nivel de alcohol en conductores ebrios. Se aprovechan en la obtención y purificación de diversos metales, como aluminio y titanio. También en la galvanoplastia fundamentada en procesos de electrólisis para recubrir un metal con otro.

Importancia

La reacción química que produce un intercambio de electrones entre elementos se llama reacción redox. Vital en la electroquímica, porque a través de este tipo de reacción ocurren procesos creadores de electricidad o inversamente, se producen como resultado de ella.

La electroquímica comprende toda acción que origine una diferencia de potencial eléctrico o energía eléctrica. Si no ocurriera esto, no existiría la vida como tal, la función neuronal y otras situaciones orgánicas penden de esta clase de reacciones.

De igual modo, muchos procesos de la naturaleza son electroquímicos. La fotosíntesis es uno de ellos. Aquí, la energía solar es convertida en energía química utilizable en el desarrollo y ocupación de las vegetaciones.

Libros sobre electroquímica

A continuación el nombre de algunos libros sobre el tema:

• Fundamentos de la electroquímica teórica. Autores: B. B. Damaskin y O. A. Petri.
• Electroquímica física e inter facial. Una aproximación teórica. Autor: Marco Suárez.
• Electro química moderna. Volumen 1 y 2. Autores: J.O. M. Bockris y A. K. N. Reddy.
• Temas de electroquímica moderna. Autor: Jaime González Velasco.

Ejemplos

Un modelo frecuente de celda electroquímica es la pila, la estándar de 1,5 voltios o la recargable de 1,2. Son celdas galvánicas simples para uso del consumidor. Una batería eléctrica consta de varias celdas conectadas en serie o paralelo.

Actualmente la exploración en el funcionamiento y perfección de las baterías vive un resurgimiento originado por la demanda de productos como el teléfono celular, computador portátil, juegos electrónicos de mano y equipos médicos portátil.