Conceptos Fundamentales de Electroquímica y Leyes de Faraday: Corriente, Celdas y Electrólisis
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Conceptos Fundamentales de Electroquímica
La electroquímica es la rama de la química que estudia la interconversión entre la energía eléctrica y la energía química. Se enfoca en los cambios químicos producidos por una corriente eléctrica y la generación de electricidad a través de reacciones químicas.
Corriente Eléctrica
La corriente eléctrica se define como un flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo que recorre un material. Por convenio, se considera que la dirección de la corriente es opuesta al desplazamiento de los electrones.
Electrolito
Un electrolito es cualquier sustancia que contiene iones libres en su composición, lo que le permite comportarse como un conductor eléctrico. Ejemplos: ácido nítrico, amoníaco y cloruro de sodio.
Ion
Un ion es una partícula cargada eléctricamente, constituida por un átomo o molécula que no es eléctricamente neutra.
Tipos de Celdas Electroquímicas
- Celda Galvánica (o Voltaica): En una celda galvánica, las reacciones químicas espontáneas producen electricidad, la cual se transfiere a un circuito externo.
- Celda Electrolítica: En una celda electrolítica, la energía eléctrica proveniente de una fuente externa provoca reacciones químicas no espontáneas.
Reacciones Redox
- Reducción: Ganancia de electrones por parte de una especie química.
- Oxidación: Pérdida de electrones por parte de una especie química.
Electrodos
- Cátodo: Es el electrodo donde ocurre la reducción. Tiene carga negativa en una celda electrolítica y positiva en una celda galvánica.
- Ánodo: Es el electrodo donde ocurre la oxidación. Tiene carga positiva en una celda electrolítica y negativa en una celda galvánica.
Leyes de Faraday de la Electrólisis
Primera Ley de Faraday
La cantidad de sustancia depositada o liberada en los electrodos, como consecuencia de un proceso de óxido-reducción, es directamente proporcional a la cantidad de electricidad que fluye a través de la solución.
Matemáticamente: Q = I × t
Donde:
- Q es la carga eléctrica (en culombios).
- I es la intensidad de corriente (en amperios).
- t es el tiempo (en segundos).
Segunda Ley de Faraday
Cuando la misma cantidad de electricidad pasa a través de soluciones de diferentes electrolitos, la cantidad de sustancia oxidada o reducida en los electrodos es directamente proporcional a su equivalente electroquímico.
Matemáticamente: m = I × t × Z
Donde:
- m es la masa de la sustancia depositada o liberada (en gramos).
- Z es el equivalente electroquímico de la sustancia.
El equivalente electroquímico (Z) se calcula como:
Z = Peq / F
Donde:
- Peq es el peso equivalente de la sustancia.
- F es la constante de Faraday (aproximadamente 96500 culombios/mol).
- Peq = Peso molecular / valencia
Constante de Faraday (F)
La constante de Faraday representa la cantidad de carga eléctrica equivalente a la carga de un mol de electrones, cuyo valor es aproximadamente 96500 culombios. Un culombio equivale a 6.28 x 1018 electrones.
Electrólisis
La electrólisis es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. En ella, los cationes capturan electrones en el cátodo (reducción) y los aniones liberan electrones en el ánodo (oxidación).
Peso Equivalente (Peq)
El peso equivalente (Peq) es la cantidad de sustancia que reacciona, sustituye o contiene un mol de H+ (o su equivalente en electrones en una reacción redox).
Equivalente Electroquímico (Z)
El equivalente electroquímico (Z) es la cantidad de sustancia que se deposita en una celda electrolítica cuando circula una corriente de un amperio durante un segundo.