FÍSICA 3 TEMA 3 Resumen teórico. Electroquímica

Transcripción

1 Electroquímica

2 OXIDACIÓN Y REDUCCIÓN Conceptos electrónicos de oxidación y reducción Reacciones Aplicaciones Como ya sabes, los átomos de los diversos elementos están formatos por un núcleo con protones y neutrones y un envoltorio de electrones. Los electrones no se distribuyen ni se mueven al azar alrededor del núcleo, sino que lo hacen de una manera muy concreta. Hay átomos que tienen un exceso de electrones por ser completamente estables y otros a los que les sobran. El número de electrones que sobran o que faltan en un átomo se denomina número de oxidación. Si se encuentran dos átomos de estos dos tipos, el electrón que sobra a uno de los átomos va a parar al otro, al que le falta un electrón. En general, la reacción en la que una sustancia pierde electrones se llama oxidación. la reacción en la que una sustancia gana electrones se llama reducción. Como siempre que una sustancia pierde electrones hay otra que los capta, siempre que tiene lugar una oxidación, se produce, simultáneamente, una reducción. Por eso, estos procesos se llaman reacciones de oxidación-reducción o, de manera abreviada, reacciones redox. Como ya hemos visto, la sustancia que cede electrones se oxida y hace ganar electrones a otra y, por tanto, hace que se reduzca. Por eso, las sustancias que se oxidan también se llaman reductores. De la misma manera, las sustancias que ganan electrones y se reducen hacen perder electrones a otras sustancias, con lo que hacen que éstas se oxiden. Por eso, las sustancias que se reducen también se llaman oxidantes. Ya hemos visto que en las reacciones redox hay electrones que circulan de una sustancia a otra. Si la reacción es espontánea, cuando las dos sustancias están en contacto, los electrones efectúan un recorrido corto. Pero si las dos sustancias están separadas y las unimos mediante un material conductor, los electrones circulan a través del conductor y entonces aparece corriente eléctrica. La obtención de energía eléctrica es una de las principales aplicaciones de las reacciones redox. Electroquímica 2

3 Pilas La primera vez que se observó corriente eléctrica originada por contacto de dos sustancias diferentes fue hacia el El fisiólogo italiano Luigi Galvani observó que cuando manipulaba con un bisturí a una rana que estaba en contacto con un trozo de cobre, su anca se movía si el bisturí tocaba el cobre. Pila voltaica Otro físico italiano, Alessandro Volta, encontró la explicación a este fenómeno y lo utilizó para construir la primera pila que, en su honor, se llama pila voltaica. La pila construida por Volta consistía en un par de discos de cinc y cobre apilados unos sobre otros y separados por un cartón mojado con agua salada. Con este montaje tan simple se puede obtener corriente eléctrica en un cable que conecte los dos extremos de la pila. Además, el voltaje que proporciona la pila es proporcional al número de pares de discos, por lo que una pila con el doble de discos dará el doble de voltaje. Se origina corriente eléctrica porque el cinc cede electrones que son captados por el cobre. Los cartones con agua salada sirven para facilitar el tránsito de electrones en el interior de la pila. Pila voltaica Pila Daniell Esta pila, inventada en el 1836 por el físico inglés John Daniell, ha sido una de las más utilizadas. Se basa en una reacción que se puede observar si se coloca un trozo de cinc en el interior de una disolución que contenga iones de cobre (Cu 2+ ). A medida que pasa el tiempo, se va formando una capa de cobre sobre el trozo de cinc. El cinc cede electrones, que son captados por el cobre disuelto, lo que hace que los iones de cobre se transformen en cobre metálico que precipita y se vaya depositando sobre el cinc. Por su parte, el cinc metálico que cede electrones se transforma en iones Zn 2+ que pasan a formar parte de la disolución. Las reacciones que tienen lugar en este proceso son: Zn g Zn e - Electroquímica 3

4 Cu e - g Cu En el ejemplo anterior, como el cinc y el cobre están en contacto, el trayecto de los electrones es corto y no se produce corriente eléctrica. Pero a Daniell se le ocurrió separar el cinc y el cobre, y conectarlos a través de un cable conductor. De esta manera, los electrones liberados en la reacción podían circular por el cable y dar lugar a corriente eléctrica. El montaje de la pila de Daniell es el siguiente: En un recipiente que contiene una disolución con iones Zn 2+ se introduce una barra de cinc, mientras que en otro que contiene una disolución con iones Cu 2+ se introduce una barra de cobre. A continuación, se conectan las barras metálicas, llamadas electrodos, con un cable y empieza a circular corriente eléctrica. ánodo cátodo puente salino Zn 2+ Cu 2+ Pila de Daniell Lo que sucede en la pila de Daniell es lo siguiente: Cada átomo de cinc de la barra se transforma en iones Zn 2+ que pasan a la disolución. En este proceso se liberan dos electrones que circulan por el cable hasta la barra de cobre. En el otro recipiente, los iones Cu 2+ en disolución se combinan con los dos electrones en exceso de la barra y forman un átomo de cobre metálico que se deposita en la barra. En general, el metal que cede electrones (cinc, en este caso) se llama ánodo y el metal que los capta (cobre, en este caso), cátodo. En este tipo de montaje, al disminuir la cantidad de iones Cu 2+ y aumentar la de iones Zn 2+, el recipiente del cinc tiene tendencia a cargarse positivamente, mientras que el recipiente de cobre, se carga negativamente. Estas cargas dificultan el paso de corriente eléctrica, puesto que hacen que los electrones, cargados negativamente, se tengan que desplazar desde un lugar con carga positiva hasta un lugar con carga negativa. Electroquímica 4

5 Electrólisis Para mantener la carga constante hay que hacer un proceso que consiste en conectar los dos recipientes con lo que se llama un puente salino. Tal como se puede ver en la figura, este puente es un tubo que permite el paso de iones de un recipiente a otro para asegurar que el contenido de los recipientes se mantenga con carga 0. No todas las reacciones redox suceden de manera espontánea y generan corriente eléctrica; algunas de ellas funcionan en sentido inverso, ss decir, necesitan corriente eléctrica para activarse. El proceso que consiste en provocar una reacción redox utilizando corriente eléctrica se llama electrólisis, que es la otra aplicación importante de este tipo de reacción. Recarga de pilas Cuando una pila se agota, significa que la reacción redox que se producía en su interior se ha acabado. Para cargar una batería o una pila, es necesario provocar el proceso inverso a su funcionamiento: provocar la reacción redox inversa aplicando una corriente eléctrica externa. Una vez la pila está cargada, la reacción redox original puede volver a funcionar y generar corriente eléctrica otra vez. En las reacciones redox se produce una transformación de energía. Cuando la pila funciona, la energía química contenida en su interior se transforma en energía eléctrica. Cuando la pila se carga, la energía eléctrica de la corriente se transforma en energía química que se almacena en el interior de la pila. Electrólisis del agua Hacia el 1833, Michael Faraday observó que cuando se aplicaba corriente eléctrica a un recipiente con agua salada, aparecían burbujas de gas. Las leyes que describen este proceso se llaman, precisamente, Leyes de Faraday. Lo que sucede es que la corriente eléctrica provoca la rotura de las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno. Es decir, se utiliza corriente eléctrica para provocar una reacción redox. Como el hidrógeno y el oxígeno son gases, a temperatura ambiente, se forman burbujas que se dirigen hacia la superficie del agua. Las principales reacciones que tienen lugar en este proceso son: 2H 2 O(l) + 2e - g 2OH - (l) + H 2 (g) (en el ánodo) H 2 O(l) g 4H + (l)+ O 2 (g) + 4e - (en el cátodo) Electroquímica 5

6 Otras aplicaciones Así que, en resumen, lo que pasa es: 2H2O(l) + electricidad g H 2 (g) + O 2 (g) Por otro lado, si se ponen en contacto el hidrógeno y el oxígeno se forma agua y se obtiene también corriente eléctrica! Por lo tanto, tener hidrógeno almacenado es como tener un almacén de energía eléctrica. Únicamente es necesario poner en contacto el hidrógeno con el oxígeno del aire para obtener corriente eléctrica y agua. La utilización de hidrógeno a modo de almacén de energía eléctrica es una de las aplicaciones más importantes de la electrólisis. A causa de todos los problemas asociados a los combustibles fósiles, ya se están fabricando y vendiendo vehículos eléctricos. Muchos de estos vehículos funcionan con depósitos de hidrógeno, que se van combinando con el oxígeno del aire para producir corriente eléctrica y hacer funcionar el motor. El dispositivo que realiza todo este proceso se llama célula de combustible. A diferencia de los motores que utilizan gasolina y liberan CO 2 y otros gases, los vehículos que funcionan con hidrógeno únicamente liberan agua como residuo. La electrólisis también tiene otras aplicaciones. Una de las más importantes consiste en recubrir metales con otros metales para protegerlos o decorarlos. También se utiliza para eliminar las impurezas de algunos metales. EN POCAS PALABRAS Las reacciones de oxidación y reducción (redox) consisten en transferencias de electrones entre sustancias. Podemos aprovechar las reacciones redox espontáneas para obtener corriente eléctrica (pilas). Con corriente eléctrica podemos provocar reacciones redox que pueden servir para obtener un combustible limpio, como el hidrógeno, o para recubrir y purificar objetos metálicos. Electroquímica 6