Fundamentos de Celdas Electroquímicas: Tipos, Componentes y Aplicaciones Prácticas

Introducción a las Celdas Electroquímicas

1. Definición y Clasificación de Celdas Electroquímicas

¿Qué es una celda electroquímica y cómo se clasifican?

Son dispositivos en donde se producen reacciones de óxido-reducción, que pueden generar o utilizar energía eléctrica. Se clasifican en:

• Celdas galvánicas (o voltaicas).
• Celdas electrolíticas.

2. Celdas Galvánicas o Voltaicas

¿Qué son las celdas galvánicas o voltaicas?

Son dispositivos en donde se lleva a cabo una reacción de óxido-reducción espontánea para producir energía eléctrica. Es decir, se transforma la energía química en energía eléctrica. Desde el punto de vista termodinámico, el sistema realiza trabajo sobre el entorno.

Funcionamiento de una Celda Galvánica

Explique el funcionamiento de una celda galvánica.

Esta formada por dos compartimentos, llamados semiceldas. En uno de ellos se produce la oxidación (ánodo negativo, por ejemplo, "Zn") y en el otro la reducción (cátodo positivo, por ejemplo, el "Cu").

Cada semicelda contiene una solución iónica de $\text{Zn}(\text{NO}_3)_2$ y $\text{Cu}(\text{NO}_3)_2$, donde se introducen un electrodo. Las semiceldas están conectadas por:

• Un circuito externo que conduce los electrones generados por la oxidación.
• Un puente salino que cierra el circuito eléctrico.

Reacciones:

• Oxidación Anódica: $\text{Zn}_{( ext{s})} \rightarrow \text{Zn}^{+2}_{( ext{ac})} + 2\text{e}^-$
• Reducción Catódica: $\text{Cu}^{+2}_{( ext{ac})} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}_{( ext{s})}$

Componentes Fundamentales

Defina electrodo y semicelda.

Electrodo

Es una barrera de carbono o de metal que se puede introducir gas, solución o sólido iónico fundido y que es capaz de conducir una corriente eléctrica.

Semicelda

Corresponde a la mitad de una celda electroquímica, donde ocurre una semirreacción.

Función del Puente Salino

¿Cuál es la función del puente salino?

• Permite el contacto eléctrico entre las dos soluciones.
• Evita la mezcla entre las soluciones.
• Mantiene la neutralidad eléctrica en cada semicelda.

Potencial de Celda

¿Qué es el potencial de celda?

Es una diferencia de voltaje o potencial eléctrico entre dos electrodos de la celda, lo que permite el flujo espontáneo de electrones, del electrodo negativo (ánodo) al electrodo positivo (cátodo).

4. Ejemplos de Celdas Galvánicas (Pilas y Baterías)

Explique cómo están formadas y cómo funcionan.

Pila Seca (Linternas, Radios)

Está formada por una barra de carbón que se ubica en el centro y cumple la función de cátodo. Esta rodeada por una pasta húmeda de: $\text{MoO}_2$, $\text{NH}_4\text{Cl}$, $\text{ZnCl}_2$ y grafito pulverizado. El ánodo está constituido por una lata de $\text{Zn}$ en contacto con la pasta señalada y tiene dos terminales. Cuando una carga se conecta a los terminales de la pila se produce una reacción química y los electrones fluyen.

Pila Alcalina

Se diferencia de la pila seca porque la pasta interior está formada por $\text{KOH}$ y $\text{MnO}_2$. Su voltaje es de $1.5\text{V}$ y dura mucho más tiempo que la pila seca.

Pila de Litio

Tiene diferentes diseños, ofrece un potencial de $3\text{V}$ y se usa en relojes, calculadoras y cámaras fotográficas. Están compuestas por un electrodo de grafito y otro de óxido de litio cobalto.

• Ánodo: $\text{Li} \rightarrow \text{Li}^+ + \text{e}^-$
• Cátodo: $\text{MnO}_2 + \text{Li}^+ + \text{e}^-$

Acumulador de Plomo

Una batería o acumulador de plomo y ácido de $12\text{V}$ para automóvil, se compone de 6 celdas voltaicas en serie, cada una produce $2\text{V}$. El cátodo de cada celda es de $\text{PbO}_2$ envuelto en una rejilla metálica. El ánodo es de plomo. Ambos electrodos están inmersos en ácido sulfúrico. La ventaja de la batería de plomo es que se puede recargar. Durante la recarga se utiliza una fuente externa para regenerar $\text{Pb}$ y $\text{PbO}_2$.

5. Celdas Electrolíticas

¿Qué es una celda electrolítica?

Un dispositivo que requiere una fuente externa de energía eléctrica para que se produzca una reacción óxido-reducción no espontánea. Se realiza trabajo sobre el sistema.

En la electrólisis:

• En el ánodo (+) se produce oxidación.
• En el cátodo (-) se produce reducción.

Electrorrefinación del Cobre

Explique la electrorrefinación del cobre.

Proceso tecnológico subdividido en 2 etapas: electrólisis y cosecha de cátodos.

El proceso se realiza en una celda electrolítica, similar a una piscina, donde se colocan en forma alternada 30 ánodos y 31 cátodos. La electrólisis consiste en hacer pasar una corriente eléctrica por una solución de $\text{H}_2\text{SO}_4$ y agua.

El ion sulfato de la solución comienza a atacar al ánodo de cobre, formando una solución de sulfato de cobre. Al aplicar una corriente eléctrica, los componentes de la solución se cargan eléctricamente. El ion cobre migra al cátodo y se deposita en él. El ion sulfato migra al ánodo y vuelve a formar sulfato de cobre que va a la solución, iniciando nuevamente la reacción.

6. Propiedades del Cobre

Describa propiedades del cobre.

El cobre presenta las siguientes características:

• Resistencia a las inclemencias del tiempo y a la corrosión.
• Conserva sus características originales con el paso del tiempo y los efectos del medio ambiente.
• Es un excelente conductor de electricidad.
• Posee capacidad de transmisión de voz.