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Celdas electroquímicas

Celdas electroquímicas

Las celdas electroquímicas son muy importantes para el desarrollo de muchos materiales y reactivos industriales diferentes. También pueden utilizarse para la determinación de las constantes termodinámicas de las reacciones, por lo que la electroquímica es una parte crucial de la química física.

En este artículo repasaremos las celdas electroquímicas, qué son y algunas de sus aplicaciones.

  • En primer lugar, trataremos la definición y los tipos de celdas electroquímicas.
  • A continuación, repasaremos las características de las celdas electroquímicas.
  • Luego, veremos algunas aplicaciones de las celdas electroquímicas.
  • Despues, calcularemos el potencial estándar de la celda, la energía libre de Gibbs y la constante de equilibrio. K
  • Finalmente, veremos cómo predecir el sentido del¿ las reacciones de oxido-reducción o redox.

Definición de célda electroquímica

Las celdas o pilas electroquímicas son dispositivos en los que tienen lugar las reacciones electroquímicas. Estas celdas son capaces de generar energía eléctrica a partir de determinadas reacciones químicas. Veámos en más detalle cómo funcionan.

Las celdas electroquímicas proporcionan los medios para controlar las reacciones redox. Pueden dividirse en celdas electrolíticas y voltaicas .

Las celdas electroquímicas permiten dividir una reacción redox para controlarla. En las reacciones redox, los procesos de oxidación y reducción ocurren simultáneamente. Esto significa que la división de estos dos procesos puede utilizarse para procesos y objetivos específicos. Al dividir la reacción, se puede controlar el flujo de electrones entre las semirreacciones de oxidación y reducción.

El flujo de electrones en una celda electroquímica se realiza a través de un circuito y se produce en forma de corriente eléctrica.

Las celdas electroquímicas son circuitos completos, lo que significa que, aunque se separe la reacción redox, las dos semireacciones están conectadas en dos puntos: el circuito externo y el puente salino. El circuito externo permitirá la transferencia de electrones, mientras que el puente salino facilitará la movilidad de los aniones de la reacción. De este modo, la reacción forma un circuito y es capaz de proceder.

A continuación veremos la definición de cada tipo de celda o pila electroquímica.

Tipos de pilas electroquímicas

Aquí hablaremos de los dos tipos de celdas electroquímicas más generales: voltaicas y electrolíticas. Más importante aún, nos centraremos en cómo se diferencian entre sí, y cómo se desarrollaron para diferentes propósitos.

Celda galvánica o voltaica

Una celda voltaica es una celda electroquímica que facilita una reacción espontánea. Las celdas voltaicas tienen dos semiceldas, cada una de las cuales facilita una única semirreacción, ya sea de oxidación o de reducción.

Una reacción redox espontánea es una reacción que puede proceder termodinámicamente sin requerir que se adicione energía extra en el sistema.

Este tipo de reacciones hace que se libere energía. Al crear una celda voltaica, se puede controlar la energía a través de un voltímetro, ya que los electrones fluirán en el circuito externo creando electricidad. Verás un diagrama de esto en la siguiente sección. Las dos medias celdas están conectadas por un puente de sal para promover la movilidad de los aniones a través de las soluciones, completando el circuito. Esto se opone a la disposición que presentan las celdas electrolíticas.

Celda electrolítica

Las celdas electrolíticas no suelen tener medias celdas, sino que se realizan en un único compartimento de reacción, como un único vaso de precipitados. Esto se debe a que la reacción que se pretende realizar es no espontánea, por lo que la mezcla de los reactivos no dará lugar a una reacción.

En la electrólisis, la reacción que se intenta llevar a cabo no es espontánea, lo que significa que hay que introducir energía en el sistema para que la reacción se produzca. La aplicación de una corriente a la reacción a través de los electrodos provocará la oxidación en un electrodo y la reducción en el otro. Una corriente, al ser un flujo de electrones, suministrará energía y desplazará el equilibrio de la reacción hacia un lado.

Diagrama de una celda electroquímica

A continuación, vamos a repasar y representar un diagrama de una celda electroquímica, concretamente una celda voltaica (galvánica).

Arriba verás el diagrama de una celda electroquímica que representa la reacción del Zinc con el Sulfato de Cobre. Aquí el Zinc se oxida, ya que pierde electrones, mientras que el Cobre se reduce, ya que gana electrones.

Debajo del diagrama, verás las semirreacciones de cada semicelda. Éstas te indicarán qué reacción se produce en cada electrodo. Los electrodos están etiquetados para indicar cuál es el ánodo y cuál el cátodo. Además, debajo del diagrama encontrarás la notación de la celda para la reacción.

La notación de la celda electroquímica te da una idea del tipo de reactivos que intervienen en la celda, cómo está construida la celda, así como cuál media reacción experimenta oxidación y cuál reducción. Esta información puede indicarle en qué dirección va el flujo de electrones.

En la siguiente sección, hablaremos de las diferentes características de las celdas electroquímicas.

Características de las celdas electroquímicas

Las pilas electroquímicas están formadas por muchos componentes diferentes, como se ve en el diagrama anterior. Aquí hablaremos de sus principales componentes. Estos suelen ser los mismos en las celdas voltaicas y electrolíticas.

Electrodos

En cada reacción electroquímica habrá dos electrodos. Cada electrodo funcionará para llevar a cabo una media reacción específica. Ésta será de oxidación o de reducción.

Los electrodos pueden estar hechos de un metal que participe en la reacción, o pueden ser inertes. Los electrodos inertes no participan químicamente en la reacción, ya que estarán hechos de grafito o platino.

Conectores: Circuito externo y puente salino

En una celda electroquímica, ya sea electrolítica o voltaica, será necesario un circuito externo por donde pueda circular la corriente. El flujo de electrones generado en la reacción será transferido a través de este circuito compuesto.

Por otro lado, el flujo de aniones será facilitado por el puente salino. Éste suele ser un equipo externo que es poroso y puede soportar el flujo de aniones pero no el de cationes. Además, puede ser un tubo externo o una fina membrana que separa diferentes partes del mismo vaso de precipitados.

Accesorios adicionales

Otros componentes que son cruciales para las celdas electroquímicas incluyen el compartimento de almacenamiento de la reacción, que puede ser un solo vaso de precipitados, como se ve en las reacciones de electrólisis, o dos vasos de precipitados, que actúan como medias celdas para la reacción redox.

Además, es necesario otro componente que se ocupe del flujo de electrones. Este equipo regulador de la electricidad puede ser un medidor de tensión, para las celdas voltaicas, o una batería (u otra fuente de energía) para las celdas electrolíticas. Estos componentes controlan y modulan directamente el flujo de electrones en la celda electroquímica.

Aplicaciones de las celdas electroquímicas

A continuación, trataremos las principales aplicaciones de las celdas electroquímicas, que se refieren al cálculo del potencial estándar de la celda y otros valores termodinámicos de las reacciones electroquímicas.

Potencial estándar de la celda

¿Qué es el potencial de una celda?

El potencial estándar de la celda se refiere a la tensión producida por la celda electroquímica voltaica.

Por lo tanto, hay dos maneras que se pueden utilizar para encontrar el potencial de celda estándar para una reacción.

  1. Realizar la reacción y leer el medidor de tensión.
  2. Calcular el potencial estándar de la celda a partir de los potenciales estándar de los electrodos.

Aquí nos centraremos en cómo calcular el potencial de celda estándar combinando dos potenciales de electrodo estándar.

Los potenciales de electrodo estándar se miden llevando a cabo la reacción electroquímica que la media celda dada a un electrodo de hidrógeno estándar. Esto te dará una lectura de voltaje positiva o negativa que puedes utilizar para los cálculos con otros potenciales de electrodo, ya que todos son relativos al potencial de electrodo de hidrógeno estándar. Esto significa que se puedes "poner a cero" el electrodo de hidrógeno estándar para realizar estos cálculos.

Puedes encontrar información sobre los diferentes potenciales de electrodo estándar en una tabla como ésta (probablemente puedas encontrar una al final de tu libro de texto de química):

Arriba puedes ver todos los diferentes valores de voltaje para diferentes potenciales de electrodo.

Para calcular el potencial de electrodo estándar de una celda electroquímica, utiliza la siguiente fórmula:

E0cel = E0red - E0oxid

Aquí calcularemos el potencial estándar de la celda para la celda de Cobre y Zinc.

Sabemos que los valores del electrodo para los potenciales estándar de electrodo para la reducción del Cu es +0,34, mientras que para la oxidación del Zn es -(-0,76).

Recuerda que debes invertir el signo al pasar de la oxidación a la reducción, ya que la reacción se invierte (desde el estado en que está escrito en la tabla).

Así:

E0cel = + 0.34 - (-0.76)

E0cel = + 1.0988 volts

Otros factores termodinámicos

El potencial estándar de la celda está relacionado con otros aspectos termodinámicos, como la energía libre de Gibbs, la constante de equilibrio y la entropía.

Energía libre de Gibbs

La energía libre de Gibbs (ΔG) determina la cantidad de energía del sistema. Se trata de la energía que se puede poner en funcionamiento.

Observa la siguiente ecuación:

ΔG = nFEcel

Esta ecuación une los parámetros de la energía libre de Gibbs con el potencial de celda. A través de esta ecuación, se puede calcular la energía libre de Gibbs sólo conociendo el potencial de celda de una reacción, o al revés.

Esto se debe a que los otros componentes de la ecuación son constantes: "n" es el número de electrones que intervienen en la reacción, mientras que "F" es la constante de Faraday (= 96,485 C/mol).

Constante de equilibrio

La constante de equilibrio (K) nos da la relación entre los productos y los reactivos.

Podemos utilizar la constante de equilibrio para controlar la reacción redox.

Observa la siguiente ecuación:

ΔG0 = RTlnK

Entonces:

nFE0cel = RTlnK

Por lo tanto:

E0cel = (RTlnK) / (nF)

A través de esta ecuación, se puede encontrar la constante de equilibrio conociendo el potencial estándar de la celda o al revés. Esto se debe a que los demás valores de la fórmula son constantes: "T" es la temperatura en K, y "R" es la constante de los gases (= 8,314 julios kelvin-1 mol-1).

Predicción de la dirección redox

La predicción de la dirección redox, es decir, la dirección del flujo de electrones, depende de los electrodos y de las reacciones que facilitan.

Así, sabemos que en una reacción redox se produce simultáneamente una oxidación y una reducción. Los electrodos separan estos dos procesos.

La reducción se producirá en el cátodo, mientras que la oxidación tendrá lugar en el ánodo. Una vez que has averiguado qué electrodo es el cátodo y cuál es el ánodo, predecir la dirección del flujo de electrones debería ser fácil: Los electrones fluirán del ánodo al cátodo.

Celdas electroquímicas - Puntos clave

  • Las pilas electroquímicas facilitan las reacciones redox.
  • Pueden ser celdas electrolíticas o voltaicas.
  • Las celdas electroquímicas contienen 2 electrodos conectados por un circuito externo y un puente salino.
  • Puedes utilizar las celdas electroquímicas para medir el potencial estándar de la celda.
  • Conociendo el potencial estándar de la celda, se puede medir la energía libre de Gibbs y la constante de equilibrio.
  • También podemos predecir el flujo de electrones (ánodo a cátodo).

¿Cuáles son los tipos de celdas electroquímicas?Las celdas electroquímicas pueden ser de diversos tipos. Las más comunes son las celdas galvánicas o voltaicas, las cuales tienen dos semiceldas y facilitan las reacciones espontáneas, y las celdas electrolíticas, las cuales tienen un único compartimiento de reacción en donde se llevan a cabo reacciones no espontáneas.¿Cómo están constituidas las celdas electrolíticas?Las celdas electrolíticas están compuestas por electrodos (ánodo y cátodo), un circuito externo, por donde circula la corriente, y un puente salino que es un tubo externo o una fina membrana que separa diferentes partes del mismo vaso de precipitados.¿Qué beneficios tiene la celda electrolítica?Debido a que las reacciones que tienen lugar dentro de las celdas electrolíticas requieren que del aporte energía, estas permiten controlar qué tanto se desplaza el equilibrio de la reacción según la cantidad de energía proporcionada.¿Qué produce una celda electroquímica?En una celda electroquímica se produce electricidad a partir de reacciones químicas. Las celdas electroquímicas permiten dividir una reacción redox para controlarla. En las reacciones redox, los procesos de oxidación y reducción ocurren simultáneamente. Esto significa que la división de estos dos procesos puede utilizarse para necesidades químicas específicas. Al dividir la reacción, se puede controlar el flujo de electrones entre las semirreacciones de oxidación y reducción.¿Qué es y cómo funciona un puente salino?El puente salino es una estructura externa, generalmente porosa, que soporta el flujo de aniones pero no el de cationes. Puede ser un tubo externo o una fina membrana que separa diferentes partes del mismo vaso de precipitados.

Preguntas frecuentes sobre Celdas electroquímicas

Las celdas electroquímicas pueden ser de diversos tipos. Las más comunes son las celdas galvánicas o voltaicas, las cuales tienen dos semiceldas y facilitan las reacciones espontáneas, y las celdas electrolíticas, las cuales tienen un único compartimiento de reacción en donde se llevan a cabo reacciones no espontáneas.

Las celdas electrolíticas están compuestas por electrodos (ánodo y cátodo), un circuito externo, por donde circula la corriente, y un puente salino que es un tubo externo o una fina membrana que separa diferentes partes del mismo vaso de precipitados.

Debido a que las reacciones que tienen lugar dentro de las celdas electrolíticas requieren que del aporte energía, estas permiten controlar qué tanto se desplaza el equilibrio de la reacción según la cantidad de energía proporcionada.

En una celda electroquímica se produce electricidad a partir de reacciones químicas. Las celdas electroquímicas permiten dividir una reacción redox para controlarla. En las reacciones redox, los procesos de oxidación y reducción ocurren simultáneamente. Esto significa que la división de estos dos procesos puede utilizarse para necesidades químicas específicas. Al dividir la reacción, se puede controlar el flujo de electrones entre las semirreacciones de oxidación y reducción.

El puente salino es una estructura externa, generalmente porosa, que soporta el flujo de aniones pero no el de cationes. Puede ser un tubo externo o una fina membrana que separa diferentes partes del mismo vaso de precipitados.

Cuestionario final de Celdas electroquímicas

Pregunta

Cuando se trata de electrólisis acuosa, la reacción con el potencial de oxidación menos negativo será la que ocurra en el _____.


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Answer

Ánodo.

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Pregunta

¿Cuál de las siguientes celdas electroquímicas implica una reacción espontánea?

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Answer

Celda voltaica.

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Pregunta

¿Cuál de las siguientes células electroquímicas implica una reacción no espontánea?

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Answer

Célula electrolítica.

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Pregunta

¿Cuál de las siguientes afirmaciones es cierta sobre el cambio en la energía libre de Gibbs durante un proceso espontáneo?

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Answer

ΔG < 0

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Pregunta

Las células electrolíticas ______ energía.

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Answer

Consumen.

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Pregunta

Cuál de las siguientes afirmaciones es cierta en relación con los electrodos de las células electrolíticas. 


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Answer

En las celdas electrolíticas, el ánodo es positivo.

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Pregunta

El _____ es el lugar de oxidación, mientras que el _____ es el lugar de reducción.

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Answer

ánodo; cátodo.

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Pregunta

¿Cuál de las siguientes opciones muestra el flujo correcto de electrones a través del cable?

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Answer

Los electrones fluyen a través del cable desde el ánodo hasta el cátodo.

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Pregunta

¿Qué significa la oxidación?

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Answer

La oxidación es la pérdida de electrones.

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Pregunta

¿Cuál es el significado de la reducción?

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Answer

La reducción es la ganancia de electrones.

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Pregunta

Cuando se trata de electrólisis acuosa, la reacción con el potencial de reducción menos negativo será la que ocurra en el _____.

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Answer

Cátodo.

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Pregunta

En las celdas galvánicas (voltaicas), el ánodo es negativo y el cátodo positivo. Como los electrones están ________ _________, quieren alejarse del electrodo negativo.

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Answer

Cargados negativamente.

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Pregunta

Se denomina __________ al proceso en el que se utiliza la energía eléctrica para provocar una reacción química no espontánea.

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Answer

Electrólisis.

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Pregunta

La electrólisis se produce en _______ __________, donde el ánodo es positivo y el cátodo negativo.


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Answer

Celdas electrolíticas.

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Pregunta

Las _______ _________son espontáneas. Durante un proceso espontáneo, el cambio en la energía libre de Gibbs es negativo (ΔG < 0) y el potencial de la célula (Ecell) supera el cero, Ecell > 0.

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Answer

Celdas galvánicas.

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Pregunta

¿Qué son las celdas electroquímicas?

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Answer

Las celdas electroquímicas proporcionan los medios para controlar las reacciones redox. De forma general, se dividen en celdas electrolíticas y celdas galvánicas o voltaicas.

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Pregunta

Los dos componentes que conectan las celdas electroquímicas en un circuito cerrado son:

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Answer

Circuito externo y puente salino.

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Pregunta

¿Cuáles son los dos procesos que ocurren simultaneamente en un proceso redox?

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Answer

Oxidación y reducción.

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Pregunta

Los dos tipos de celdas electroquímicas son:

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Answer

Galvánica y electrolítica.

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Pregunta

Una celda galvánica o voltaica facilita una reacción:

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Answer

Espontánea.

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Pregunta

Una celda electrolítica facilita una reacción:

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Answer

No espontánea.

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Pregunta

Las celdas galvánicas tienen dos semiceldas mientras que las electrolíticas tienen __________.

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Answer

Una única celda.

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Pregunta

Uno de los principales componentes en las celdas electrquímicas son los ______.

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Answer

Electrodos.

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Pregunta

¿Qué es el potencial de la celda?

Mostrar respuesta

Answer

El potencial estándar de la celda se refiere a la tensión producida por la celda electroquímica voltaica.

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Pregunta

¿Cuáles son las dos maneras para encontrar el potencial de celda estándar para una reacción?

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Answer

1. Realizar la reacción y leer el medidor de tensión. 

2. Calcular el potencial estándar de la celda a partir de los potenciales estándar de los electrodos.


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Pregunta

¿Cómo se define la constante de equilibrio?

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Answer

La constante de equilibrio (K) es una constante que nos da la relación entre los productos y los reactivos.

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Pregunta

Para determinar la dirección de la reacción de redox es necesario determinar cuál ______ es el ánodo y cuál es el cátodo.

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Answer

Electrodo.

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Pregunta

¿Cuál es la función del puente salino?

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Answer

Transportar aniones, pero no cationes, entre las dos semiceldas.

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Pregunta

¿Cuál es la importancia de dividir las reacciones redox? 

Mostrar respuesta

Answer

Al dividir la reacción, se puede controlar el flujo de electrones entre las semirreacciones de oxidación y reducción.

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Pregunta

Las celdas electroquímicas son circuitos: 

Mostrar respuesta

Answer

Completos.

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Pregunta

El componente que cierra el circuito externo en una celda galvánica es el __________.

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Answer

Puente salino.

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Pregunta

¿El voltímetro tiene alguna influencia en la reacción electroquímica?

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Answer

No.

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Pregunta

¿Cuál es la abreviación de fuerza electromotriz?

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Answer

FEM

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Pregunta

¿Qué mide un voltímetro?

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Answer

Fuerza electromotriz.

Show question

Pregunta

¿Qué mide un amperímetro?

Mostrar respuesta

Answer

Intensidad de corriente.

Show question

Pregunta

Si una reacción es espontánea, ¿mostrará alguna lectura en un voltímetro?

Mostrar respuesta

Answer

Sí.

Show question

Pregunta

Cual de las siguientes unidades no se usa para medir la energía libre de Gibbs?

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Answer

kg·m2·s-3·A-1.

Show question

Pregunta

¿Qué información es necesaria para calcular la FEM de una celda electroquímica?

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Answer

Los potenciales estándar de los electrodos involucrados.

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Pregunta

Los parámetros termodinámicos que se pueden calcular a partir de la fuerza electromotriz son la ______ y la ______

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Answer

constante de equilibrio, energía libre de Gibbs.

Show question

Pregunta

Si una reacción tiene un potencial de celda negativo, la reacción es ______

Mostrar respuesta

Answer

no espontánea.

Show question

Pregunta

¿Qué valores se deben conocer para calcular la energía libre de Gibbs a partir de la fuerza electromotriz de una celda electroquímica?

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Answer

La cantidad de electrones transferidos y la constante de Faraday.

Show question

Pregunta

Si la energía libre de Gibbs de una reacción es negativa, la reacción es ______

Mostrar respuesta

Answer

espontánea.

Show question

Pregunta

Si conoces la constante de equilibrio de una reacción, ¿puedes conocer la fuerza electromotriz?

Mostrar respuesta

Answer

Sí.

Show question

Pregunta

¿Cuál de las siguientes unidades es equivalente a 1 A?

Mostrar respuesta

Answer

1 C/s.

Show question

Pregunta

¿Cuál es la unidad de intensidad de corriente en el Sistema Internacional de unidades?

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Answer

A.

Show question

Pregunta

Si los electrones fluyen de derecha a izquierda, la corriente fluye de _____

Mostrar respuesta

Answer

izquierda a derecha.

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