Estructura del electrolizador
Una celda electrolítica (electrolizador) consta de varios elementos clave:
- Electrolito: disolución o masa fundida de una sustancia que proporciona iones libres.
- Electrodos: conductores sumergidos en el electrolito. Se fabrican de metal o grafito. En algunas instalaciones, el cuerpo metálico del recipiente actúa como uno de los electrodos.
- Fuente de corriente continua: genera la diferencia de potencial necesaria para el desplazamiento forzado de los electrones.
Durante el funcionamiento del electrolizador es fundamental respetar las normas de seguridad. Por ejemplo, al obtener gases, el espacio sobre el cátodo y el ánodo se separa mediante un diafragma especial. Esto evita la mezcla de los gases desprendidos (como el hidrógeno y el cloro) y elimina el riesgo de una explosión espontánea.
Procesos en los electrodos
Al pasar corriente continua a través del electrolito, los iones se desplazan de forma dirigida hacia los electrodos de carga opuesta:
- En el cátodo (–) tiene lugar el proceso de reducción. El cátodo cede sus electrones a las partículas de la disolución. Por ejemplo, en la electrólisis de una disolución de ácido clorhídrico, los iones de hidrógeno ($H^+$) aceptan electrones y se convierten en hidrógeno gaseoso ($H_2$).
- En el ánodo (+) ocurre la oxidación. El ánodo capta electrones de las partículas del electrolito. En el caso del $HCl$, los iones cloruro ($Cl^-$) ceden electrones, formando moléculas de cloro ($Cl_2$).
La reacción global para el $HCl$ es: $2H^+ + 2Cl^- = H_2 + Cl_2$.
Purificación de metales (Refinación)
Uno de los procesos industriales más importantes es la purificación electrolítica mediante un ánodo soluble (como en el caso del cobre). En este caso, el material del propio ánodo participa en la reacción.
El ánodo consiste en un lingote de cobre blíster (cobre impuro), y el cátodo, en una lámina delgada de metal puro. Al pasar la corriente, el cobre impuro del ánodo se oxida, cede electrones y pasa a la disolución en forma de iones $Cu^{2+}$. Posteriormente, estos iones se desplazan hacia el cátodo, aceptan electrones y se depositan sobre él como cobre puro.
Las impurezas se precipitan al fondo o permanecen en el electrolito. Como resultado, no se producen transformaciones químicas netas; únicamente tiene lugar el transporte físico y la purificación del metal.
Cálculos cuantitativos
Los cálculos en la electrólisis obedecen a las leyes estequiométricas, donde los electrones se consideran reactivos de pleno derecho en la reacción.
Para calcular la cantidad de electrones que han circulado por el circuito, se utiliza la fórmula: $n(e^-) = (I \cdot \Delta t) / F$ Donde $I$ es la intensidad de corriente (en amperios), $\Delta t$ es el tiempo y $F$ es la constante de Faraday.
En condiciones reales, la masa del producto obtenido suele ser inferior a la calculada teóricamente debido a reacciones secundarias. La eficiencia del proceso se evalúa mediante el rendimiento de corriente ($\eta$), que es la relación entre la masa de sustancia obtenida en la práctica y la masa calculada según la ecuación.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué leyes de Faraday se aplican para los cálculos cuantitativos de la electrólisis?
Para los cálculos cuantitativos de la electrólisis se aplica la ley de Faraday, que utiliza relaciones estequiométricas y datos de mediciones eléctricas. Los cálculos se basan en los siguientes parámetros y fórmulas:
- Constante de Faraday ($F$): magnitud física que representa la carga de 1 mol de electrones (96 485 C/mol).
- Cantidad de sustancia de electrones: se calcula mediante la fórmula $n(e^-) = \frac{I \cdot \Delta t}{F}$, donde $I$ es la intensidad de corriente en amperios y $\Delta t$ es la duración del proceso.
- Masa del producto: se calcula considerando la masa molar y el coeficiente estequiométrico de los electrones (por ejemplo, $m(\text{Au}) = \frac{I \cdot \Delta t \cdot M(\text{Au})}{3F}$).
- Rendimiento de corriente ($\eta$): relación entre la masa del producto obtenida experimentalmente y la calculada teóricamente ($\eta = \frac{m \cdot \nu(e^-) \cdot F}{I \cdot \Delta t \cdot M}$).
Para recordar los procesos en los electrodos: «Ánodo — Oxidación» (ambas palabras empiezan por vocal), «Cátodo — Reducción» (ambas palabras empiezan por consonante).
Preguntas de clases y exámenes
¿Cuál es la principal diferencia entre la electrólisis y una celda galvánica?
En una celda galvánica, la reacción redox se produce de forma espontánea con liberación de energía. En la electrólisis, la reacción es no espontánea y requiere el aporte de energía eléctrica externa.
¿Qué es un ánodo soluble?
Es un ánodo que, durante el proceso de electrólisis, participa directamente en la reacción de oxidación (se disuelve), cediendo sus iones al electrolito. Se utiliza, por ejemplo, en la purificación del cobre.
¿Por qué se necesita un diafragma en un electrolizador?
El diafragma separa los compartimentos anódico y catódico para que los gases desprendidos (por ejemplo, hidrógeno y cloro) no se mezclen, lo que previene una reacción explosiva.
Qué más repasar sobre el tema
- Cálculo de la masa del recubrimiento de oro (dorado electrolítico) según las leyes de Faraday
- Aplicación de la electrólisis para la producción industrial a gran escala de productos químicos
- Aplicación de recubrimientos galvánicos protectores sobre metales
- Mecanismo de disociación de compuestos de coordinación en la electrólisis
Estudia el tema por completo en el curso de «Química»
Aquí tienes un resumen. En el curso encontrarás todo lo que preguntan en clase y en el examen.
- Guía de estudio completa sobre «Electrólisis» y 3 009 páginas más de la asignatura
- Ejercicios y pruebas después de cada tema, igual que en el examen práctico
- El tutor de IA responderá a tus preguntas sobre el tema en cualquier momento
- 95 video lecciones de la asignatura
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.