 | Este artículo necesita citas adicionales para su verificación . ( octubre de 2020 ) ( Aprenda cómo y cuándo eliminar este mensaje de plantilla ) |
Una celda electroquímica es un dispositivo capaz de generar energía eléctrica a partir de reacciones químicas o de utilizar energía eléctrica para provocar reacciones químicas. Las celdas electroquímicas que generan una corriente eléctrica se denominan celdas voltaicas o celdas galvánicas y las que generan reacciones químicas, por ejemplo mediante electrólisis , se denominan celdas electrolíticas . [1] [2] [ necesaria fuente mejor ] Un ejemplo común de una célula galvánica es un estándar de 1.5 voltios [3] [ mejor fuente necesario ] céluladestinado al uso del consumidor. Una batería consta de una o más celdas, conectadas en paralelo, en serie o en un patrón en serie y paralelo.
Celda electrolítica [ editar ]
Una celda electrolítica es una celda electroquímica que impulsa una reacción redox no espontánea mediante la aplicación de energía eléctrica. A menudo se utilizan para descomponer compuestos químicos, en un proceso llamado electrólisis , la palabra griega lisis significa romper .
Ejemplos importantes de electrólisis son la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno y la bauxita en aluminio y otras sustancias químicas. La galvanoplastia (por ejemplo, de cobre, plata, níquel o cromo) se realiza utilizando una celda electrolítica. La electrólisis es una técnica que utiliza una corriente eléctrica continua (CC).
Una celda electrolítica tiene tres partes componentes: un electrolito y dos electrodos (un cátodo y un ánodo ). El electrolito suele ser una solución de agua u otros disolventes en los que se disuelven los iones. Las sales fundidas como el cloruro de sodio también son electrolitos. Cuando es impulsado por un voltaje externo aplicado a los electrodos, los iones en el electrolito son atraídos a un electrodo con la carga opuesta, donde pueden tener lugar reacciones de transferencia de carga (también llamadas faradaicas o redox). Solo con potencial eléctrico externo(es decir, voltaje) de polaridad correcta y magnitud suficiente puede una celda electrolítica descomponer un compuesto químico normalmente estable o inerte en la solución. La energía eléctrica proporcionada puede producir una reacción química que no ocurriría espontáneamente de otra manera.
Celda galvánica o celda voltaica [ editar ]
Una celda galvánica, o celda voltaica, llamada así por Luigi Galvani , o Alessandro Volta respectivamente, es una celda electroquímica que deriva energía eléctrica de reacciones redox espontáneas que tienen lugar dentro de la celda. Por lo general, consta de dos metales diferentes conectados por un puente de sal , o semiceldas individuales separadas por una membrana porosa.
Volta fue el inventor de la pila voltaica , la primera batería eléctrica . En el uso común, la palabra "batería" ha llegado a incluir una sola celda galvánica, pero una batería consiste propiamente en múltiples celdas. [4]
Celda primaria [ editar ]
Una celda primaria es una batería galvánica que está diseñada para usarse una vez y desecharse, en contraste con una celda secundaria ( batería recargable ), que se puede recargar con electricidad y reutilizar. En general, la reacción electroquímica que se produce en la pila no es reversible, lo que hace que la pila no sea recargable. Como se usa una celda primaria, las reacciones químicas en la batería consumen los químicos que generan la energía; cuando se agotan, la batería deja de producir electricidad y es inútil. Por el contrario, en una celda secundaria , la reacción se puede revertir haciendo pasar una corriente a la celda con un cargador de batería.para recargarlo, regenerando los reactivos químicos. Las celdas primarias se fabrican en una variedad de tamaños estándar para alimentar pequeños electrodomésticos como linternas y radios portátiles.
Las baterías primarias representan aproximadamente el 90% del mercado de baterías de $ 50 mil millones, pero las baterías secundarias han ido ganando participación en el mercado. Aproximadamente 15 mil millones de baterías primarias se desechan en todo el mundo cada año, y prácticamente todas terminan en vertederos. Debido a los metales pesados tóxicos y los ácidos o álcalis fuertes que contienen, las baterías son desechos peligrosos . La mayoría de los municipios los clasifican como tales y requieren una disposición separada. La energía necesaria para fabricar una batería es aproximadamente 50 veces mayor que la energía que contiene. [5] [6] [7] [8] [se necesita una mejor fuente ] Debido a su alto contenido de contaminantes en comparación con su pequeño contenido de energía, la batería primaria se considera una tecnología inútil y nociva para el medio ambiente. Debido principalmente al aumento de las ventas de dispositivos inalámbricos y herramientas inalámbricas , que no pueden alimentarse económicamente con baterías primarias y vienen con baterías recargables integrales, la industria de las baterías secundarias tiene un alto crecimiento y ha ido reemplazando lentamente la batería primaria en productos de alta gama.
Celda secundaria [ editar ]
Una celda secundaria, comúnmente conocida como batería recargable , es una celda electroquímica que puede funcionar como celda galvánica y como celda electrolítica. Esto se utiliza como una forma conveniente de almacenar electricidad, cuando la corriente fluye en una dirección, los niveles de uno o más productos químicos se acumulan (cargando), mientras se descarga se reducen y la fuerza electromotriz resultante puede funcionar.
Una celda secundaria común es la batería de plomo-ácido. Esto se puede encontrar comúnmente como baterías de automóvil. Se utilizan por su alto voltaje, bajos costos, confiabilidad y larga vida útil. Las baterías de plomo-ácido se utilizan en un automóvil para arrancar un motor y operar los accesorios eléctricos del automóvil cuando el motor no está en funcionamiento. El alternador, una vez que el coche está en marcha, recarga la batería.
Pila de combustible [ editar ]
Una celda de combustible es una celda electroquímica que convierte la energía química de un combustible en electricidad a través de una reacción electroquímica del combustible de hidrógeno con oxígeno u otro agente oxidante . [9] [ página necesaria ] Las celdas de combustible se diferencian de las baterías en que requieren una fuente continua de combustible y oxígeno (generalmente del aire) para mantener la reacción química, mientras que en una batería la energía química proviene de sustancias químicas que ya están presentes en la batería. Las pilas de combustible pueden producir electricidad de forma continua mientras se suministre combustible y oxígeno.
Las primeras pilas de combustible se inventaron en 1838. El primer uso comercial de las pilas de combustible se produjo más de un siglo después en los programas espaciales de la NASA para generar energía para satélites y cápsulas espaciales . Desde entonces, las pilas de combustible se han utilizado en muchas otras aplicaciones. Las pilas de combustible se utilizan como energía primaria y de respaldo para edificios comerciales, industriales y residenciales y en áreas remotas o inaccesibles. También se utilizan para impulsar vehículos de pila de combustible , incluidos montacargas, automóviles, autobuses, barcos, motocicletas y submarinos.
Hay muchos tipos de pilas de combustible, pero todas consisten en un ánodo , un cátodo y un electrolito que permite que los iones de hidrógeno cargados positivamente (protones) se muevan entre los dos lados de la pila de combustible. En el ánodo, un catalizador hace que el combustible experimente reacciones de oxidación que generan protones (iones de hidrógeno cargados positivamente) y electrones. Los protones fluyen del ánodo al cátodo a través del electrolito después de la reacción. Al mismo tiempo, los electrones se extraen del ánodo al cátodo a través de un circuito externo, produciendo corriente continua.electricidad. En el cátodo, otro catalizador hace que reaccionen iones de hidrógeno, electrones y oxígeno, formando agua. Las celdas de combustible se clasifican por el tipo de electrolito que utilizan y por la diferencia en el tiempo de arranque, que varía desde 1 segundo para las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (celdas de combustible PEM o PEMFC) hasta 10 minutos para las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) . Una tecnología relacionada son las baterías de flujo , en las que el combustible se puede regenerar mediante la recarga. Las celdas de combustible individuales producen potenciales eléctricos relativamente pequeños, alrededor de 0,7 voltios, por lo que las celdas se "apilan" o se colocan en serie para crear suficiente voltaje para cumplir con los requisitos de una aplicación. [10] [se necesita una mejor fuente ]Además de electricidad, las pilas de combustible producen agua, calor y, según la fuente de combustible, cantidades muy pequeñas de dióxido de nitrógeno y otras emisiones. La eficiencia energética de una pila de combustible suele oscilar entre el 40% y el 60%; sin embargo, si el calor residual se captura en un esquema de cogeneración , se pueden obtener eficiencias de hasta el 85%.
El mercado de las pilas de combustible está creciendo y, en 2013, Pike Research estimó que el mercado de las pilas de combustible estacionarias alcanzará los 50 GW para 2020. [11] [se necesita una mejor fuente ]
Medias celdas [ editar ]
Una celda electroquímica consta de dos medias celdas. Cada media celda consta de un electrodo y un electrolito . Las dos medias celdas pueden usar el mismo electrolito o pueden usar diferentes electrolitos. Las reacciones químicas en la celda pueden involucrar el electrolito, los electrodos o una sustancia externa (como en las celdas de combustible que pueden usar gas hidrógeno como reactivo). En una celda electroquímica completa, las especies de una mitad de celda pierden electrones ( oxidación ) en su electrodo, mientras que las especies de la otra mitad de celda obtienen electrones ( reducción ) de su electrodo.
A menudo se emplea un puente de sal (p. Ej., Papel de filtro empapado en KNO 3, NaCl o algún otro electrolito) para proporcionar contacto iónico entre dos semiceldas con diferentes electrolitos, pero evitar que las soluciones se mezclen y provoquen reacciones secundarias no deseadas. Una alternativa a un puente de sal es permitir el contacto directo (y la mezcla) entre las dos medias celdas, por ejemplo, en una simple electrólisis de agua.
A medida que los electrones fluyen de una media celda a la otra a través de un circuito externo, se establece una diferencia de carga. Si no se proporcionara contacto iónico, esta diferencia de carga evitaría rápidamente el flujo adicional de electrones. Un puente de sal permite el flujo de iones negativos o positivos para mantener una distribución de carga en estado estable entre los recipientes de oxidación y reducción, mientras mantiene los contenidos separados. Otros dispositivos para lograr la separación de soluciones son macetas porosas y soluciones gelificadas. Se utiliza una maceta porosa en la celda de Bunsen (derecha).
Reacción de equilibrio [ editar ]
Cada media celda tiene un voltaje característico. Varias opciones de sustancias para cada media celda dan diferentes diferencias de potencial. Cada reacción está experimentando una reacción de equilibrio entre diferentes estados de oxidación de los iones: cuando se alcanza el equilibrio, la celda no puede proporcionar más voltaje. En la media celda que está experimentando oxidación, cuanto más cerca esté el equilibrio del ion / átomo con el estado de oxidación más positivo, más potencial proporcionará esta reacción. Asimismo, en la reacción de reducción, cuanto más cerca esté el equilibrio del ion / átomo con el estado de oxidación más negativo, mayor será el potencial.
Potencial celular [ editar ]
El potencial de la celda se puede predecir mediante el uso de potenciales de electrodo (los voltajes de cada media celda). Estos potenciales de media celda se definen en relación con la asignación de 0 voltios al electrodo de hidrógeno estándar (SHE). (Ver tabla de potenciales de electrodo estándar ). La diferencia de voltaje entre los potenciales de los electrodos da una predicción del potencial medido. Al calcular la diferencia de voltaje, primero se deben reescribir las ecuaciones de reacción de media celda para obtener una ecuación de oxidación-reducción balanceada.
- Invierta la reacción de reducción con el menor potencial (para crear una reacción de oxidación / potencial celular positivo general)
- Las semirreacciones deben multiplicarse por números enteros para lograr el equilibrio de electrones.
Los potenciales de celda tienen un rango posible de aproximadamente cero a 6 voltios. Las celdas que usan electrolitos a base de agua generalmente se limitan a potenciales de celda menores de aproximadamente 2,5 voltios debido a la alta reactividad de los poderosos agentes oxidantes y reductores con el agua que se necesita para producir un voltaje más alto. Son posibles mayores potenciales de celda con celdas que usan otros solventes en lugar de agua. Por ejemplo, las celdas de litio con un voltaje de 3 voltios están comúnmente disponibles.
El potencial celular depende de la concentración de los reactivos, así como de su tipo. A medida que se descarga la celda, la concentración de los reactivos disminuye y el potencial celular también disminuye.
Ver también [ editar ]
- Actividad (química)
- Notación de celda
- Potencial electroquímico
- Ingeniería electroquímica
- Batería (electricidad)
- Batería recargable
- Pila de combustible
- Batería de flujo
Referencias [ editar ]
- ^ "Células electrolíticas" . Universidad Estatal de Georgia . Consultado el 17 de mayo de 2018 .
- ^ "Celdas electroquímicas" . Universidad Estatal de Georgia . Consultado el 17 de mayo de 2018 .
- ^ "Celda electroquímica" . BYJU'S . Consultado el 28 de octubre de 2020 .
- ^ Gove, Philip Babcock , ed. (2002) [1961]. "batería". Tercer nuevo diccionario internacional de Webster, íntegro . Merriam-Webster Inc. pág. 187. ISBN 978-0-87779-201-7.
6 a: una combinación de aparatos para producir un solo efecto eléctrico <a ~ de dínamos> b (1): un grupo de dos o más celdas conectadas entre sí para suministrar corriente eléctrica (2): una sola celda voltaica
- ↑ Hill, Marquita K. (2004). Comprensión de la contaminación ambiental: una introducción . Prensa de la Universidad de Cambridge . pag. 274. ISBN 978-0-521-82024-0.
La fabricación de una batería desechable requiere aproximadamente 50 veces más energía que la que proporciona la batería cuando se usa.
- ^ Watts, John (2006). Gcse Edexcel Science . Letts y Lonsdale . pag. 63. ISBN 978-1-905129-63-8.
- ^ Wastebusters Ltd. (2013). El Manual de la Oficina Verde: una guía para la práctica responsable . Routledge . pag. 96. ISBN 978-1-134-19798-9.
- ^ Danaher, Kevin ; Biggs, Shannon; Mark, Jason (2016). Construyendo la economía verde: historias de éxito desde la base . Routledge . pag. 199. ISBN 978-1-317-26292-3.
- ^ Khurmi, RS; Sedha, RS (2008). Ciencia de los materiales . ISBN 978-81-219-0146-8.
- ^ Bien, Karim; Strickland, Jonathan. "Cómo funcionan las pilas de combustible" . HowStuffWorks . Consultado el 4 de agosto de 2011 .
- ^ Prabhu, Rahul R. (13 de enero de 2013). "El tamaño del mercado de pilas de combustible estacionarias alcanzará los 350.000 envíos en 2022" . Renovar la campaña de la India . Archivado desde el original el 19 de enero de 2013 . Consultado el 14 de enero de 2013 .CS1 maint: URL no apta ( enlace )
