La electroquímica aborda el estudio de las reacciones químicas que pueden transformarse y producir electricidad, o viceversa, es decir, la electricidad capaz de transformarse y crear reacciones químicas.
Principios de la oxidación-reducción
Los procesos electroquímicos se describen a través de reacciones de oxidación-reducción o reacciones redox donde se transportan electrones de una sustancia a otra, como por ejemplo la reacción:
Zn(s) + CuSO4(ac) → ZnSO4(ac) + Cu(s)
Sin embargo, estas reacciones también pueden escribirse considerando que se obtiene de la suma de dos semirreacciones, que transcurren simultáneamente, tal como se muestra a continuación:
Zn(s) → Zn2+(ac) +2e– Semirreacción oxidación
Cu2+(ac) +2e– → Cu(s) Semirreacción reducción
Zn(s) + Cu2+(ac) → Zn2+(ac) + Cu(s) Ecuación neta
Donde el Zn se oxida y su estado de oxidación aumenta de 0 a +2, y por lo tanto se pierden dos electrones por cada átomo de zinc, y el Cu2+ se reduce, por lo tanto, el estado de oxidación del cobre se reduce de +2 a 0 lo que da una ganancia de dos electrones por cada ion de Cu2+.
Las semirreacciones que involucran pérdida de electrones, se llaman reacciones de oxidación y las que implican ganancia de electrones es una reacción de reducción. El elemento que se oxida actúa como un agente reductor ya que es quien dona electrones y por lo tanto hace que se reduzca, mientras que el elemento que se reduce actúa como agente oxidante pues este acepta electrones y hace que se oxide.
Celdas electroquímicas
Es un sistema que se utiliza de manera experimental con el fin de generar electricidad a través de una reacción redox espontánea, estas celdas son también llamadas celdas galvánicas o voltaicas. Una celda electroquímica está constituida por electrodos, los cuales consisten en piezas de metales sumergidos en una disolución que contiene iones del mismo metal.
Entre los iones metálicos en disolución y los átomos metálicos del electrodo pueden ocurrir las siguientes interacciones: 1) el ion metálico en disolución choca con el electrodo tomando electrones y, por lo tanto, el ion se convierte en un átomo metálico y este se reduce; 2) el átomo metálico de la superficie cede electrones al electrodo y se incorporan a la disolución con el ion metálico.
Por otro lado, una celda electroquímica está formada por dos semiceldas, los electrodos se pueden clasificar dependiendo de que ocurra en ellos la oxidación o la reducción, si en él tiene lugar la oxidación entonces el electrodo se denomina ánodo y si tiene lugar la reducción se denomina cátodo. El contacto entre las disoluciones de cada semicelda se llama puente salino y consiste en un tubo de vidrio en forma de U, la cual contiene en sus extremos un material poroso que guarda una tercera solución y que permite que emigren los iones sin que fluya el líquido; por otra parte, cada electrodo se encuentra unido por un cable metálico y un dispositivo para medir la corriente como un voltímetro.
El Voltaje de una celda se conoce como fuerza electromotriz (Fem) o potencial de celda y se representa como Ecel. Las medidas de voltaje de cada celda representan la diferencia de potencial entre los electrodos, los cuales pueden determinarse con precisión, sin embargo, no se puede obtener con la misma precisión los potenciales individuales de cada electrodo.
Para establecer estos potenciales se debe escoger una semicelda que contenga o se le fije un potencial de electrodo cero y luego se compara otras semiceldas con al de referencia, la referencia hasta hoy aceptada es el electrodo estándar de hidrógeno (EEH), el cual consiste en una disolución en equilibrio con iones H3O+ con un actividad igual a 1, y moléculas de H2 en estado gaseoso a 1bar de presión, este equilibrio se encuentra sobre la superficie de un metal inerte como platino, la reacción en equilibrio da como resultado un potencial sobre la superficie del metal, sin embargo, a este potencial se es asignado arbitrariamente un valor de cero, el esquema de la semicelda de este electrodo se representa según el siguiente esquema:
Pt│H2(g, 1bar) │H+(a=1) Eº = 0 V
Cada línea vertical divide la representación de tres fases, el platino en estado sólido el hidrógeno gaseoso y el ion hidrógeno en disolución acuosa, para este ion la actividad es igual a uno, el potencial estándar de electrodo se puede simbolizar como Eº.
Referencias bibliográficas
1. Chang, Raymond Química, 6ª Edición. Editorial McGraw-Hill, (1999).2. Petrucci, R.H; Herring, F. G; Madura, J.D; Bissonnette, C. Química General, 8a Edición. Editorial Pearson, (2003).
Autora
Escrito por Mahiceth Quintero Valero para la Edición #111 de Enciclopedia Asigna, en 05/2022. Mahiceth es Doctora en Química Aplicada