Baterías de Volta

Para conocer el funcionamiento interno de una celda voltaica, es necesario conocer cómo se llevan a cabo las reacciones de óxido-reducción.

Una reacción de óxido-reducción es una reacción en la cual se lleva a cabo una transferencia de electrones entre compuestos químicos, estas reacciones de óxido-reducción tienen dos componentes claves para que la misma ocurra, estos dos componentes son:

• Agente oxidante → conocido como ánodo, es aquel compuesto o elemento que cede los electrones, gana hidrógeno y pierde oxígeno, disminuye su número de oxidación y reduce su tamaño a medida que la reacción ocurre.

• Agente reductor → conocido como cátodo, es aquel que recibe los electrones que son cedidos del ánodo, así mismo este es capaz de ganar oxígeno y perder hidrógeno, aumentar su número de oxidación y a partir de esto oxidarse mientras la reacción ocurre.

Estos procesos ocurren de manera simultánea dentro de la reacción, es decir estos dos procesos que incluyen los componentes como el agente reductor y el agente oxidante dependen uno del otro, pero a pesar de ocurrir simultáneamente acontecen de manera aislada.

Las reacciones de óxido-reducción son de carácter espontáneo; es decir que estas ocurren naturalmente sin agentes externos que actúen dentro de la reacción en sí.

Para balancear las reacciones de óxido-reducción, se pueden utilizar dos métodos diferentes:

• Método redox

Paso 1. Colocar el número de oxidación de todos los elementos presentes en la reacción y reconocer los elementos que se oxidan y reducen.

Cu 0 + H1+N5+ O32- → Cu2+(N5+O32- )2 + H21+ O2- + N2+O2-

Paso 2. Identificar las semirreacciones de oxidación y reducción por medio de la ganancia y pérdida de electrones. Para

Cu 0 → Cu2+ semirreacción de oxidación (- 2e-)

N5+ → N2+ semirreacción de reducción (+3e-)

Paso 3. Igualar el número de electrones ganados y cedidos:

3[Cu0 →Cu2+]

2[N5+→ N2+]

Paso 4. Colocar los números propuestos en el paso 3 para generar un balance de compuestos:

• Cu 0 + HNO3 → 3 Cu(NO3)2 + H2O + 2 NO

Paso 5. Completar el balanceo por medio de tanteo (proponer valores hasta que la reacción esté balanceada):

• 3 Cu0 + 8 HNO3 → 3 Cu(NO3)2 + 4 H2O + 2 NO

Cu 3-3 N 8-8 H 8-8 O 24-24

• Método del ion electrón.

Para entender este método se debe tener claro las disociaciones de ácidos, bases y sales (electrolitos), donde se conoce que las bases son disociadas en H+ y en anión negativo respectivo ( H2SO4 se disocia en H2+1 y SO4 -2 ) y los ácidos son disociados en OH- y en el catión positivo respectivo (NaOH se disocia en Na+OH-).

Paso 1: Identificar los compuestos que pueden ser disociados y plantear su ecuación a forma iónica.

• I2 + HNO3 -------> HIO3 + NO + H2O (Molecular)

• I2 + H+NO3- -----------> H+IO3- + NO + H2O (Iónica)

Paso 2: Se escribe por separado el compuesto de las semirreacciones del agente oxidante y el agente reductor.

• NO3- --------> NO semirreacción de reducción

• I2 -------->H+IO3- semirreacción de oxidación

Paso 3: Iguala cantidad de oxígenos presentes a cada lado de la semirreacción.

• 4H + NO3- --------> NO + 2H2O semirreacción de reducción

• 3H2O + I2 -------->H+IO3- + 5H semirreacción de oxidación

Paso 4: Agregar e- al lado que se encuentre con número mayor de cargas (si en la primera semirreacción los electrones están posicionados al lado izquierdo, en la segunda semirreacción estarán al lado derecho)

• 3 e- + 4H + NO3- --------> NO + 2H2O semirreacción de reducción

• 3H2O + I2 -------->2(H+IO3- ) + 5H + 10e- semirreacción de oxidación

Paso 5: Igualar el número de e- perdidos por el agente reductor, con los e- ganados por el agente oxidante, multiplicando las semirreacciones por los números de pérdida y ganancia respectivamente (ver ejemplo)

• 10x(3 e- + 4H + NO3- --------> NO + 2H2O) semirreacción de reducción

• 3x(3H2O + I2 -------->2 (H+IO3- ) + 5H + 10e-) semirreacción de oxidación

Paso 6: Resolver las multiplicaciones propuestas en las reacciones y proceder a sumarlas.

• 30 e- + 40 H+ + 10 NO3- --------> 10 NO + 20 H2O

• 9 H2O + 3 I2 -------->6 (H+IO3- ) + 15H+ + 30 e-

Suma → 30 e- + 40 H+ + 10 NO3- + 9 H2O + 3 I2 ----> 10 NO + 20 H2O + 6 (H+IO3- ) + 15H+ + 30 e-

*Se cancelan términos semejantes*

25 H+ + 10 NO3- + 3 I2 ----> 10 NO + 11 H2O + 6 H+IO3-

Aprovechar las reacciones espontáneas que se dan en el proceso de óxido reducción para producir una corriente de energía eléctrica ha sido de gran ayuda en el desarrollo de nuevas técnicas y usos de materiales de tipo eléctrico y electrónico, se puede percibir en el empleo de casos como el de las pilas voltaicas; este tipo de energía se emplea en los automóviles, hacer funcionar radios, calculadoras, relojes, e incluso suministrar energía para una nave espacial.

Como ya pudimos conocer el proceso de óxido-reducción, ahora podremos conocer el funcionamiento que tienen las celdas voltaicas. A medida que una reacción de óxido-reducción ocurre, esta libera energía que se puede emplear para realizar un trabajo eléctrico a través de celdas voltaicas o galvánicas.

Para que este flujo de electrones sea utilizado de manera óptima, es necesario que esta se produzca por medio de un circuito externo que permita el flujo permanente de electrones.

Para que esta celda voltaica o galvánica pueda generar el flujo de electrones, es necesario conocer sus componentes.

En la imagen anterior se pueden conocer los compuestos y los elementos que son de gran importancia dentro de este proceso.

• Zn → Ánodo que conduce la liberación de electrones hacia el cátodo

• Cu → Cátodo que recibe los electrones liberados desde el ánodo

Semirreacciones

• Ánodo (oxidación) Zn(s) → Zn2+ + 2e-

• Cátodo (reducción) Cu2+ + 2e- → Cu

• Electrolito ZnSO4 y electrolito CuSO4 → contiene electrones libres que se comportan como sustancias conductoras

• Puente salino → Dispositivo que conecta la solución catódica con la disolución anódica de la pila galvánica. La función principal de este puente salino es de mantener la neutralidad de cargas entre las semiceldas electrolíticas.

• Voltímetro → Instrumento que apoya la medición de diferencia de potencial entre dos puntos del circuito (en el caso de la celda, los dos puntos corresponden al ánodo y al cátodo).

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