Electroquímica
Electroquímica es una rama de la química que estudia la
transformación entre la energía eléctrica y la energía química.
1 En otras palabras, las
reacciones químicas que se dan en la interfase de un
conductor eléctrico (llamado
electrodo, que puede ser un
metal o un
semiconductor) y un conductor iónico (el
electrolito) pudiendo ser una
disolución y en algunos casos especiales, un sólido.
2
Si una reacción química es conducida mediante una
diferencia de potencial aplicada externamente, se hace referencia a una
electrólisis. En cambio, si la caída de potencial eléctrico es creada como consecuencia de la reacción química , se conoce como un
"acumulador de energía eléctrica", también llamado
batería o
celda galvánica.
Las reacciones químicas donde se produce una transferencia de electrones entre moléculas se conocen como
reacciones redox,
y su importancia en la electroquímica es vital, pues mediante este tipo
de reacciones se llevan a cabo los procesos que generan electricidad o
en caso contrario, son producidos como consecuencia de ella.
En general, la electroquímica se encarga de estudiar las situaciones donde se dan reacciones de
oxidación y
reducción
encontrándose separadas, físicamente o temporalmente, se encuentran en
un entorno conectado a un circuito eléctrico. Esto último es motivo de
estudio de la química analítica, en una subdisciplina conocida como
análisis potenciométrico.
Celdas Electroquímicas
La
Celda Electroquímica es el dispositivo utilizado para la
descomposición mediante corriente eléctrica de sustancias ionizadas
denominadas electrolitos. También se conoce como
celda galvánica o voltaica, en honor de los científicos
Luigi Galvani y
Alessandro Volta, quienes fabricaron las primeras de este tipo a fines del S. XVIII.
1
Las celdas electroquímicas tienen dos electrodos: El
Ánodo y el
Cátodo.
El ánodo se define como el electrodo en el que se lleva a cabo la
oxidación y el cátodo donde se efectúa la reducción. Los electrodos
pueden ser de cualquier material que sea un conductor eléctrico, como
metales,
semiconductores. También se usa mucho el
grafito
debido a su conductividad y a su bajo costo. Para completar el circuito
eléctrico, las disoluciones se conectan mediante un conductor por el
que pasan los cationes y aniones, conocido como
puente de sal
(o como puente salino). Los cationes disueltos se mueven hacia el
Cátodo y los aniones hacia el Ánodo. La corriente eléctrica fluye del
ánodo al cátodo por que existe una diferencia de potencial eléctrico
entre ambos electrolitos. Esa diferencia se mide con la ayuda de un
voltímetro y es conocida como el
voltaje de la celda. También se denomina
fuerza electromotriz (fem) o bien como
potencial de celda.
1 En una celda galvánica donde el ánodo sea una barra de
Zinc y el cátodo sea una barra de
Cobre,
ambas sumergidas en soluciones de sus respectivos sulfatos, y unidas
por un puente salino se la conoce como Pila de Daniell. Sus
semi-reacciones son estas:
La notación convencional para representar las celdas electroquímicas es un
diagrama de celda. En condiciones normales, para la pila de Daniell el diagrama sería:
Este diagrama esta definido por: ANODO --> CATODO Electrodo
negativo/electrolito // Electrolito/electrodo positivo (el / indica
flujo de electrones y el // significa puente salino)
La linea vertical representa el limite entre dos fases. La doble
linea vertical representa el puente salino. Por convención, el ánodo se
escribe primero a la izquierda y los demás componentes aparecen en el
mismo orden en que se encuentran al moverse de ánodo a cátodo.
Ley de Faraday
La
Ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente
Ley de Faraday) se basa en los experimentos que
Michael Faraday realizó en
1831 y establece que el
voltaje inducido en un
circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el
tiempo el
flujo magnético que atraviesa una
superficie cualquiera con el circuito como borde:
1
Donde
es el campo eléctrico,
es el elemento infinitesimal del contorno
C,
es la
densidad de campo magnético y
S es una superficie arbitraria, cuyo borde es
C. Las direcciones del contorno
C y de
están dadas por la
regla de la mano derecha.
La permutación de la integral de superficie y la derivada temporal se
puede hacer siempre y cuando la superficie de integración no cambie con
el tiempo.
Por medio del
teorema de Stokes puede obtenerse una forma diferencial de esta ley:
Ésta es una de las
ecuaciones de Maxwell, las cuales conforman las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo. La ley de Faraday, junto con las otras leyes del
electromagnetismo, fue incorporada en las ecuaciones de Maxwell, unificando así al electromagnetismo.
En el caso de un
inductor con
N vueltas de alambre, la fórmula anterior se transforma en:
Donde V
ε es el
voltaje inducido y
dΦ/dt es la tasa de variación temporal del flujo magnético
Φ. El sentido del voltaje inducido (el signo negativo en la fórmula) se debe a la
ley de Lenz.
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