- Components de les cel·les electroquímiques
- elèctrodes
- Dissolució de electròlits
- pont salí
- Tipus de cel·les electroquímiques i com funcionen
- galvàniques
- electrolítiques
- exemples
- Cel·la de Daniel
- Cel·la de platí i hidrogen
- Cel·la de Downs
- referències
Les cel·les electroquímiques són dispositius en què transcorren reaccions químiques on l'energia química es transforma en energia elèctrica o viceversa. Aquestes cel·les composen el cor de l'electroquímica, sent l'ànima l'intercanvi potencial d'electrons que pot donar-se, espontània o no espontàniament, entre dues espècies químiques.
Una de les dues espècies s'oxida, perd electrons, mentre l'altra es redueix guanyant els electrons cedits. Comunament l'espècie que es redueix és un catió metàl·lic en dissolució, que a l'guanyar electrons acaba dipositant elèctricament sobre un elèctrode fet el mateix metall. D'altra banda, l'espècie que s'oxida és un metall, convertint-se en cations metàl·lics.
Diagrama per a una cel·la electroquímica de Daniel. Font: Rehua
Per exemple, la imatge superior representa la cel·la de Daniel: la més simple de totes les cel·les electroquímiques. L'elèctrode de zinc metàl·lic s'oxida, alliberant cations Zn 2+ a el medi aquós. Això passa en el recipient de ZnSO 4 de l'esquerra.
A la dreta, la solució contenint CuSO 4 es redueix, transformant els cations Cu 2+ en coure metàl·lic que es diposita sobre l'elèctrode de coure. Durant el desenvolupament d'aquesta reacció dels electrons recorren un circuit extern activant els seus mecanismes; i per tant, aportant energia elèctrica per al funcionament d'un equip.
Components de les cel·les electroquímiques
elèctrodes
A les cel·les electroquímiques es generen o consumeixen corrents elèctrics. Per assegurar un adequat flux dels electrons hi ha d'haver materials que siguin bons conductors de l'electricitat. És aquí on entren els elèctrodes i el circuit extern, proveït de cablejats de coure, plata o or.
Els elèctrodes són els materials que aporten la superfície on es desenvoluparan les reaccions en les cel·les electroquímiques. N'hi ha de dos tipus segons la reacció que ocorre en ells:
-Ánodo, elèctrode on ocorre l'oxidació
-Cátodo, elèctrode on ocorre la reducció
Els elèctrodes poden estar fets d'un material reaccionant, com en el cas de la cel·la de Daniel (zinc i coure); o bé, d'un material inert, com succeeix quan estan fets de platí o grafit.
Els electrons cedits pel ànode han d'arribar cap al càtode; però no a través d'una dissolució, sinó recorrent un cable metàl·lic que uneix els dos elèctrodes a un circuit extern.
Dissolució de electròlits
La dissolució que envolta els elèctrodes també juga un paper important, ja que està enriquida d'electròlits forts; com ara: KCl, KNO 3, NaCl, etc. Aquests ions afavoreixen fins a cert punt la migració dels electrons des de l'ànode cap al càtode, així com la seva conducció per les rodalies dels elèctrodes per interaccionar amb l'espècie a reduir.
L'aigua de la mar, per exemple, condueix molt millor l'electricitat que l'aigua destil·lada, amb menor concentració d'ions. És per això que les cel·les electroquímiques compten amb una dissolució d'electròlits forts entre els seus components.
pont salí
Els ions de la dissolució comencen a envoltar els elèctrodes ocasionant una polarització de les càrregues. La dissolució al voltant de l'càtode comença a carregar-se negativament, ja que s'estan reduint els cations; en el cas de la cel·la de Daniel, els cations Cu 2+ a l'dipositar-se com coure metàl·lic sobre el càtode. Així, comença a haver-hi un dèficit de càrregues positives.
És aquí on intervé el pont salí per balancejar les càrregues i evitar que es polaritzin els elèctrodes. Cap al costat o compartiment de l'càtode migraran cations de el pont salí, ja sigui K + o Zn 2+, per suplantar als Cu 2+ consumits. Mentrestant, de el pont salí migraran anions NO 3 - cap al compartiment de l'ànode, per anar neutralitzant la creixent concentració de cations Zn 2+.
El pont salí està compost d'una solució saturada de sals, amb els seus extrems tapats per un gel permeable per als ions, però impermeable per a l'aigua.
Tipus de cel·les electroquímiques i com funcionen
La manera en com una cel·la electroquímica funciona depèn de el tipus que aquesta sigui. N'hi ha fonamentalment de dos tipus: galvàniques (o voltaiques) i electrolítica
galvàniques
La cel·la de Daniel és un exemple d'una cel·la electroquímica galvànica. En elles les reaccions ocorren espontàniament i el potencial de la pila és positiu; com més gran sigui el potencial, més gran serà l'electricitat que subministrarà la cel·la.
Les piles o bateries són precisament cel·les galvàniques: el potencial químic entre els dos elèctrodes es transforma en energia elèctrica quan intervé un circuit extern que els connecta. Així, els electrons migren de l'ànode, encenen l'equip a què està connectada la pila, i es retornen directe a càtode.
electrolítiques
Les cel·les electrolítiques són aquelles les reaccions no ocorren espontàniament, llevat que se'ls subministrin energia elèctrica d'una font externa. Aquí es dóna el fenomen contrari: l'electricitat permet que reaccions químiques no espontànies es desenvolupin.
Una de les reaccions més conegudes i valuoses que pren lloc dins d'aquest tipus de cel·la és l'electròlisi.
Les bateries recarregables són exemples de cel·les electrolítiques i alhora galvàniques: es recarreguen per revertir les seves reaccions químiques i restablir les condicions inicials per tornar a reutilitzar.
exemples
Cel·la de Daniel
La següent equació química correspon a la reacció de la cel·la de Daniel on participa el zinc i el coure:
Zn (s) + Cu 2+ (aq) → Zn 2+ (aq) + Cu (s)
Però els cations Cu 2+ i Zn 2+ no estan sols sinó acompanyats dels anions SO 4 2-. Aquesta cel·la pot representar-se de la següent manera:
Zn - ZnSO 4 - - CuSO 4 - Cu
La cel·la de Daniel pot construir-se en qualsevol laboratori, sent molt recurrent com a pràctica en la introducció de l'electroquímica. A mesura que el Cu 2+ es diposita com Cu, el color blau de la dissolució CuSO 4 s'anirà perdent.
Cel·la de platí i hidrogen
Imaginin una cel·la que consumeixi hidrogen gasós, produeixi plata metàl·lica, i a el mateix temps tingui electricitat. Aquesta és la cel de platí i hidrogen, i la seva reacció general és com segueix:
2AgCl (s) + H 2 (g) → 2Ag (s) + 2H + + 2Cl -
Aquí al compartiment de l'ànode tenim un elèctrode inert de platí, submergit en aigua i a el qual se li bomba hidrogen gasós. El H 2 s'oxida a H + i cedeix els seus electrons a l'precipitat lletós de AgCl en el compartiment de l'càtode amb un elèctrode de plata metàl·lica. Sobre aquesta plata es reduirà el AgCl i augmentarà la massa de l'elèctrode.
Aquesta cel·la pot representar-se com:
Pt, H 2 - H + - - Cl -, AgCl - Ag
Cel·la de Downs
I finalment, entre les cel·les electrolítiques tenim la de l'clorur de sodi fos, coneguda millor com cel·la de Downs. Aquí es fa ús de l'electricitat perquè recorri a través dels elèctrodes un volum de NaCl fos, i s'origini així en ells les següents reaccions:
2Na + (l) + 2e - → 2Na (s) (càtode)
2Cl - (l) → Cl 2 (g) + 2e - (ànode)
2NaCl (l) → 2Na (s) + Cl 2 (g) (reacció global)
Així, gràcies a l'electricitat i clorur de sodi pot preparar sodi metàl·lic i gas clor.
referències
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8va ed.). Cengage Learning.
- Wikipedia. (2020). Electrochemical cell. Recuperat de: en.wikipedia.org
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (29 de gener de 2020). Electrochemical Cells. Recuperat de: thoughtco.com
- R. Nau. (Sf). Electrochemical Cells. Recuperat de: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
- Chemicool. (2017). Definition of Electrochemical Cell. Recuperat de: chemicool.com
- Patricia Jankowski. (2020). What is an Electrochemical Cell? - Structure & Usis. Study. Recuperat de: study.com
- Alquímica. (03 de març de 2011). Cel·les electroquímiques. Química i Ciència. Recuperat de: laquimicaylaciencia.blogspot.com