Celdas galvánicas

Principio de funcionamiento y diferencia con las reacciones ordinarias

La base del funcionamiento de cualquier pila galvánica es una reacción de óxido-reducción (redox). Sin embargo, esta transcurre en condiciones especiales.

Si simplemente se mezclan un agente oxidante y un agente reductor en un mismo recipiente, su contacto directo conducirá a un intercambio caótico de electrones. En tal sistema no existe un movimiento dirigido de partículas cargadas, por lo que no se genera corriente eléctrica, y toda la energía química liberada se convierte en energía térmica y se disipa en el espacio.

En una pila galvánica, el oxidante y el reductor están separados espacialmente. Se excluye el contacto directo entre ellos. Debido a esto, los electrones no pueden pasar de una sustancia a otra directamente. La única ruta para ellos es a través de un conductor metálico externo (circuito eléctrico) que conecta los dos polos de la pila. Precisamente este flujo dirigido de electrones constituye la corriente eléctrica. La energía de los enlaces químicos se manifiesta en forma de energía eléctrica.

Estructura de la pila de zinc-manganeso (pila de Leclanché)

Consideremos la estructura clásica de una pila galvánica seca utilizando como ejemplo el sistema que emplea zinc y manganeso. Esta pila consta de varios componentes clave, cada uno de los cuales cumple su función:

• Ánodo (reductor, polo negativo «−»): Representa un vaso exterior de zinc (Zn). La superficie de este vaso acumula una carga negativa durante el funcionamiento.
• Cátodo (oxidante, polo positivo «+»): El papel del cátodo lo desempeña una barra central de grafito (C). Alrededor de ella se encuentra prensada densamente una mezcla de polvo de carbón y dióxido de manganeso (MnO_2).
• Electrolito (medio conductor): El espacio interno entre los electrodos está lleno de una pasta espesa. Consiste en agua, amoníaco (NH_3), cloruro de amonio (NH_4Cl) y almidón, que actúa como espesante, evitando que el líquido se derrame.
• Sellado: En la parte superior, todo el sistema está herméticamente cerrado con betún, lo que evita que el electrolito se seque y que penetre aire.

Química del funcionamiento: procesos en los electrodos

Cuando cerramos el circuito externo (por ejemplo, conectamos una bombilla con un conductor al vaso de zinc y a la barra de grafito), en los límites de contacto de las fases (solución/metal y solución/óxido) surgen saltos de potencial y comienza el movimiento dirigido de electrones desde el zinc hasta el grafito. El proceso se puede dividir en dos semirreacciones.

1. Proceso en el ánodo (oxidación del zinc) Los átomos de zinc en la superficie del vaso ceden sus electrones, los cuales pasan al circuito eléctrico externo. Los cationes de zinc formados pasan a la capa de electrolito. Allí se combinan instantáneamente con las moléculas de amoníaco, formando un ion complejo. La ecuación de la semirreacción es la siguiente: Zn + 4NH_3 → [Zn(NH_3)_4]^{2+} + 2e^-

2. Proceso en el cátodo (reducción del manganeso) A través del circuito externo, los electrones llegan a la barra de grafito y se transfieren a la capa de dióxido de manganeso. Los átomos de manganeso aceptan estos electrones, disminuyendo su estado de oxidación de +4 a +3. Al mismo tiempo, se libera oxígeno en forma de ion O^{2-}, el cual pasa a la pasta de electrolito y se une a los protones cedidos por los iones de amonio. La ecuación de la semirreacción catódica es: 2MnO_2 + 2NH_4^+ + 2e^- → Mn_2O_3 + 2NH_3 + H_2O

Ecuación global de la reacción Al sumar ambas semirreacciones, obtenemos la ecuación final del proceso químico que asegura el funcionamiento de la pila galvánica de zinc-manganeso. Durante esta reacción se forman el ion complejo de zinc, el óxido de manganeso(III) y agua: Zn + 2MnO_2 + 2NH_4^+ + 2NH_3 = [Zn(NH_3)_4]^{2+} + Mn_2O_3 + H_2O

En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema

Qué más repasar sobre el tema

• Mecanismo de aparición del salto de potencial en la interfaz de fases
• Complejo-formación de los iones de zinc en solución de amoníaco
• Termodinámica de las reacciones de óxido-reducción
• El papel del cloruro de amonio en el electrolito

Otros temas de la sección «Capítulo 7. Clasificación de las reacciones químicas según los procesos electrónicos»

Material preparado por los profesores de WhiteCoat Pro según el plan de estudios de las facultades de medicina. De carácter educativo.