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Términos

• Célula voltaicaUna célula, como la de una batería, en la que una reacción química irreversible genera electricidad; una célula que no puede recargarse.
• redoxUna reacción química reversible en la que una reacción es una oxidación y la inversa es una reducción.
• Media celdaCualquiera de las dos partes de una celda electroquímica que contiene un electrodo y un electrolito.

Una celda electroquímica es un dispositivo que produce una corriente eléctrica a partir de la energía liberada por una reacción redox espontánea. Este tipo de célula incluye la célula galvánica, o voltaica, llamada así por Luigi Galvani y Alessandro Volta. Estos científicos realizaron varios experimentos sobre las reacciones químicas y la corriente eléctrica a finales del siglo XVIII.

Las celdas electroquímicas tienen dos electrodos conductores, llamados ánodo y cátodo. El ánodo se define como el electrodo donde se produce la oxidación. El cátodo es el electrodo donde se produce la reducción. Los electrodos pueden estar hechos de cualquier material suficientemente conductor, como metales, semiconductores, grafito e incluso polímeros conductores. Entre estos electrodos se encuentra el electrolito, que contiene iones que pueden moverse libremente.

La célula voltaica utiliza dos electrodos metálicos diferentes, cada uno en una solución electrolítica. El ánodo sufrirá una oxidación y el cátodo una reducción. El metal del ánodo se oxidará, pasando de un estado de oxidación 0 (en estado sólido) a un estado de oxidación positivo, y se convertirá en un ion. En el cátodo, el ion metálico de la solución aceptará uno o más electrones del cátodo, y el estado de oxidación del ion se reducirá a 0. Esto forma un metal sólido que se deposita en el cátodo. Los dos electrodos deben estar conectados eléctricamente entre sí, lo que permite un flujo de electrones que abandonan el metal del ánodo y fluyen a través de esta conexión hacia los iones de la superficie del cátodo. Este flujo de electrones es una corriente eléctrica que puede utilizarse para realizar un trabajo, como hacer girar un motor o alimentar una luz.

Ejemplo de reacción

El principio de funcionamiento de la célula voltaica es una reacción simultánea de oxidación y reducción, denominada reacción redox. Esta reacción redox consta de dos semirreacciones. En una célula voltaica típica, el par redox es el cobre y el zinc, representado en las siguientes reacciones de media célula:

Electrodo de zinc (ánodo): Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e-

Electrodo de cobre (cátodo): Cu2+(aq) + 2 e- → Cu(s)

Las celdas se construyen en vasos de precipitados separados. Los electrodos metálicos se sumergen en soluciones electrolíticas. Cada media celda está conectada por un puente de sal, que permite el transporte libre de especies iónicas entre las dos celdas. Cuando el circuito se completa, la corriente fluye y la célula «produce» energía eléctrica.

El cobre oxida fácilmente el zinc; el ánodo es zinc y el cátodo es cobre. Los aniones de las soluciones son sulfatos de los respectivos metales. Cuando un dispositivo conductor de electricidad conecta los electrodos, la reacción electroquímica es:

Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

El electrodo de zinc produce dos electrones a medida que se oxida (Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-), que viajan a través del cable hasta el cátodo de cobre. Los electrones encuentran entonces el Cu2+ en la solución y el cobre se reduce a cobre metálico (Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu). Durante la reacción, el electrodo de zinc se utilizará y el metal se reducirá en tamaño, mientras que el electrodo de cobre se hará más grande debido al Cu depositado que se está produciendo. Un puente de sal es necesario para mantener la carga fluyendo a través de la célula. Sin un puente de sal, los electrones producidos en el ánodo se acumularían en el cátodo y la reacción dejaría de funcionar.

Las células solares se utilizan normalmente como fuente de energía eléctrica. Por su naturaleza, producen corriente continua. Una batería es un conjunto de células voltaicas conectadas en paralelo. Por ejemplo, una batería de plomo-ácido tiene celdas con los ánodos compuestos de plomo y los cátodos compuestos de dióxido de plomo.

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