Un proceso redox produce una transferencia de electrones, pues el agente reductor al oxidarse desprende electrones que son captados por el agente oxidante al reducirse. Si separamos físicamente el proceso de oxidación del de reducción y utilizamos un hilo conductor para que los electrones que cede la especie que se oxida lleguen hasta la especie que se reduce originaremos una corriente eléctrica en el hilo.
Se denominan celdas electroquímicas, celdas galvánicas o pilas a los dispositivos que son capaces de transformar la energía química originada en un proceso redox espontáneo en energía eléctrica.
Pila Daniell
Una pila es un dispositivo formado por:
- Dos recipientes, en cada uno de los cuales se coloca una disolución de un electrolito y una barra metálica (del mismo metal que el electrolito disuelto en cada recipiente), denominados electrodos (o semiceldas o semipilas). En rigor, el electrodo es el metal que introducimos en la disolución, aunque habitualmente se extiende al conjunto formado por el metal y la disolución.
Una pila Daniell está formada por un electrodo de zinc (una barra de zinc en contacto con sulfato de zinc) y un electrodo de cobre (una barra de cobre en contacto con sulfato cúprico).
- Un hilo conductor que une las dos barras metálicas y permite el flujo de electrones. A él va asociado algún instrumento de medida que permita detectar el paso de corriente (un voltímetro, por ejemplo).
- Un puente salino que contiene una disolución acuosa de una sal formada por iones que no intervienen en el proceso redox y que permite mantener la neutralidad de las disoluciones.
En la siguiente imagen se muestra una pila de cobre y zinc:
En cada electrodo tiene lugar una reacción redox:
- Se denomina ánodo o electrodo negativo a aquel en el que tiene lugar la oxidación, en este caso la oxidación del zinc.
- Se denomina cátodo o electrodo positivo a aquel en el que tiene lugar la reducción, en este caso la reducción del cobre.
La oxidación del Zn hace que aumente la carga positiva en su semicelda mientras que en la semicelda del Cu aumenta la carga negativa con la reducción: la semicelda con carga positiva se hace más positiva, y la semicelda negativa se hace más negativa, por lo que es necesario incorporar al dispositivo un puente salino para evitar que la reacción se pare.
El puente salino contiene una disolución de un electrolito inerte (como KCl), que no interviene en el proceso redox de nuestra pila, que se encarga de mantener constante la neutralidad eléctrica de las disoluciones: aporta aniones a la semicelda positiva y cationes a la semicelda negativa.
También es posible mantener la neutralidad eléctrica si para separar las dos semiceldas se utiliza una membrana porosa que permita la migración de iones:
De manera abreviada, se puede representar una pila de la siguiente manera:
Por convenio, a la izquierda se escribe el ánodo y a la derecha el cátodo. La doble barra que los separa simboliza el puente salino, mientras que la barra simple representa la separación entre dos fases distintas (la disolución y la barra metálica).
La diferencia de potencial entre los dos electrodos es la fuerza electromotriz de la pila, que será el factor que determine su espontaneidad.
Tipos de electrodos
- Electrodo metálico de metal activo
Está formado por una barra de metal sumergida en una disolución de sus propios iones. El metal de la barra interviene en el proceso redox. Es el caso de los electrodos de la pila Daniell.
- Electrodo metálico de metal inerte
En ocasiones la reacción redox tiene lugar entre los iones en disolución, sin intervención del electrodo metálico. Su función es conducir los electrones entre las semiceldas. Se emplean metales inertes, tales como el platino o el grafito.
- Electrodo de gases
Cuando interviene un gas en un proceso redox es imprescindible utilizar un dispositivo que permita alojarlo en su interior y que contenga un conductor inerte (un hilo de platino, por ejemplo) que transporte los electrones.
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Un comentario en “Celdas electroquímicas (pilas)”