Célula galvánica
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 9 de septiembre de 2021; las comprobaciones requieren 7 ediciones .Una celda galvánica (circuito electroquímico) es una fuente química de corriente eléctrica basada en la interacción de dos metales y/o sus óxidos en un electrolito , dando lugar a la aparición de una corriente eléctrica en un circuito cerrado. Nombrado en honor a Luigi Galvani . La conversión de energía química en energía eléctrica se produce en las celdas galvánicas.
Así, una celda galvánica es un dispositivo en el que la energía de una reacción química redox se convierte en energía eléctrica.
Historia del estudio de los procesos galvánicos
El fenómeno de la aparición de una corriente eléctrica al contacto de diferentes metales fue descubierto por el fisiólogo italiano , profesor de medicina en la Universidad de Bolonia ( Bolonia , Italia ) - Luigi Galvani en 1786 : Galvani describió el proceso de contracción de los músculos de las patas traseras de una rana recién preparada , fijadas en ganchos de cobre , cuando se tocan con un bisturí de acero . Las observaciones fueron interpretadas por el descubridor como una manifestación de "electricidad animal".
El físico y químico italiano Alessandro Volta , interesado en los experimentos de Galvani, vio un fenómeno completamente nuevo: la creación de un flujo de cargas eléctricas. Comprobando el punto de vista de Galvani, A. Volta hizo una serie de experimentos y llegó a la conclusión de que la causa de la contracción muscular no es la "electricidad animal", sino la presencia de una cadena de diferentes conductores en el líquido. En confirmación, A. Volta reemplazó la pata de rana con un electrómetro inventado por él y repitió todos los pasos. En 1800, A. Volta anunció públicamente sus descubrimientos por primera vez en una reunión de la Royal Society de Londres . En su experimento, un conductor de segunda clase (líquido) está en el medio y está en contacto con dos conductores de primera clase hechos de dos metales diferentes. Como resultado, surge una corriente eléctrica de una u otra dirección.
En 1802, el físico ruso Vasily Vladimirovich Petrov diseñó la batería galvánica más grande del mundo, que constaba de 4200 círculos de cobre y zinc con un diámetro de unos 35 milímetros y un espesor de unos 2,5 milímetros, entre los que se colocaban papeles empapado en una solución de amoníaco . Fue Petrov quien primero aplicó el aislamiento (con la ayuda de lacre ). Toda la estructura se colocó en una caja de madera maciza de caoba, cubierta con una capa aislante de varias resinas [1] . Según estimaciones modernas, la batería de Petrov daba un voltaje de unos 1500V. [2] Un científico ruso investigó las propiedades de esta batería como fuente de corriente y demostró que su funcionamiento se basa en procesos químicos entre metales y electrolitos. M. A. Shatelen señaló que los experimentos de Petrov pueden considerarse investigaciones que sentaron las bases para la electrometalurgia moderna en hornos de arco. [3] Petrov usó la batería construida para crear un arco eléctrico y experimentó con él. Los resultados de su trabajo se detallaron en el trabajo "Noticias de los experimentos de Galvani-Volta", [4] publicado en 1803. [5] [6]
Tipos de electrodos
La composición de la celda galvánica incluye electrodos . Los electrodos son:
Electrodos reversibles
- Electrodos del primer tipo: electrodos que consisten en un metal sumergido en una solución de su sal;
- Electrodos del segundo tipo: un electrodo que consiste en un metal recubierto con una sal escasamente soluble del mismo metal, sumergido en una solución salina que contiene un anión común con una sal insoluble ( electrodo de cloruro de plata, electrodo de calomelanos, electrodos de óxido de metal);
- Electrodos del tercer tipo: electrodos que consisten en dos precipitados insolubles de electrolitos: en uno menos soluble hay un catión , que se forma a partir del metal del electrodo, y en uno más soluble hay un anión común con el primer precipitado ;
- Electrodos de gas: electrodos que consisten en un metal inactivo en solución y gas ( electrodo de oxígeno, electrodo de hidrógeno );
- Electrodos de amalgama : electrodos que consisten en una solución de un metal en mercurio ;
- Electrodos redox : electrodos que consisten en un metal inactivo (electrodo de ferri-ferro, electrodo de quinhidrona ).
Electrodos de membrana selectivos de iones
- Electrodos de membrana de intercambio iónico con cargas fijas - electrodo de vidrio ;
- Electrodos consistentes en intercambiadores de iones asociados a líquidos ;
- electrodos de membrana basados en quelantes activos en la membrana ;
- Electrodos con membranas mono y policristalinas.
Características de las celdas galvánicas
Las celdas galvánicas se caracterizan por fuerza electromotriz (EMF) , capacitancia; la energía que puede dar al circuito externo; persistencia.
- La fuerza electromotriz (EMF) de una celda galvánica depende del material de los electrodos y la composición del electrolito. La EMF se describe mediante las funciones termodinámicas de los procesos electroquímicos en curso en forma de la ecuación de Nernst .
- La capacitancia eléctrica de un elemento es la cantidad de electricidad que desprende la fuente de corriente cuando se descarga. La capacidad depende de la masa de reactivos almacenados en la fuente y del grado de su conversión; disminuye con la disminución de la temperatura o el aumento de la corriente de descarga.
- La energía de una celda galvánica es numéricamente igual al producto de su capacitancia y voltaje. Con un aumento en la cantidad de sustancia de los reactivos en el elemento y hasta cierto límite, con un aumento en la temperatura, la energía aumenta. La energía se reduce por un aumento en la corriente de descarga.
- La persistencia es el período de almacenamiento de un elemento durante el cual sus características se mantienen dentro de los límites especificados. La retención de un elemento disminuye al aumentar la temperatura de almacenamiento.
Clasificación de las celdas galvánicas
Las celdas galvánicas primarias son dispositivos para la conversión directa de energía química , los reactivos contenidos en ellas ( agente oxidante y agente reductor ), en energía eléctrica . Los reactivos que componen la fuente se consumen durante su funcionamiento, y la acción se detiene tras el consumo de los reactivos. Un ejemplo de celda galvánica es la celda de Daniel- Jacobi .
Las pilas de manganeso-zinc que no contienen una solución de electrolito líquido (pilas secas, baterías) son ampliamente utilizadas . Así, en las celdas de sal de Leclanche , el electrodo de zinc sirve como cátodo , un electrodo hecho de una mezcla de dióxido de manganeso y grafito sirve como ánodo , y el grafito sirve como colector de corriente. El electrolito es una pasta de solución de cloruro de amonio con la adición de harina o almidón como espesante.
Las pilas alcalinas de manganeso-zinc , en las que se utiliza una pasta a base de hidróxido de potasio como electrolito , tienen una serie de ventajas (en particular, una capacidad significativamente mayor, un mejor funcionamiento a bajas temperaturas y altas corrientes de carga).
La sal y los elementos alcalinos se usan ampliamente para alimentar equipos de radio y varios dispositivos electrónicos.
Las fuentes de corriente secundarias ( acumuladores ) son dispositivos en los que la energía eléctrica de una fuente de corriente externa se convierte en energía química y se acumula, y la energía química se convierte de nuevo en energía eléctrica.
Una de las baterías más comunes es la de plomo (o ácido) . El electrolito es una solución de ácido sulfúrico al 25-30 % . Los electrodos de una batería de ácido son rejillas de plomo llenas de óxido de plomo que, al interactuar con el electrolito, se convierte en sulfato de plomo (II) - PbSO 4 .
También existen las pilas alcalinas: las de níquel-cadmio y las de níquel-hidruro metálico han recibido el mayor uso , en las que el hidróxido de potasio (K-OH) sirve como electrolito .
En varios dispositivos electrónicos ( teléfonos móviles , tabletas , computadoras portátiles ), se utilizan principalmente baterías de iones de litio y polímeros de litio , que se caracterizan por una alta capacidad y sin efecto memoria .
Los generadores electroquímicos ( pilas de combustible ) son elementos en los que la energía química se convierte en energía eléctrica. El agente oxidante y el agente reductor se almacenan fuera de la celda y se suministran de forma continua y por separado a los electrodos durante el funcionamiento. Durante el funcionamiento de la pila de combustible, los electrodos no se consumen. El agente reductor es hidrógeno (H 2 ), metanol (CH 3 OH), metano (CH 4 ); en estado líquido o gaseoso. El agente oxidante suele ser oxígeno , del aire o puro. En una celda de combustible de oxígeno-hidrógeno con un electrolito alcalino , la energía química se convierte en energía eléctrica. Las centrales eléctricas se utilizan en naves espaciales : proporcionan energía a la nave espacial ya los astronautas .
Aplicación
- Las celdas galvánicas se utilizan en el sistema de alarma, linternas, relojes, calculadoras, sistemas de audio, juguetes, radios, equipos de automóviles, controles remotos, computadoras.
- Las baterías se utilizan para arrancar motores de automóviles; también es posible utilizarlos como fuentes temporales de electricidad en lugares alejados de los asentamientos.
- Las pilas de combustible se utilizan en la producción de energía eléctrica (en centrales eléctricas), fuentes de energía de emergencia, suministro de energía autónomo, transporte, energía a bordo, dispositivos móviles.
A menudo, las fuentes de corriente química se utilizan como parte de las baterías (baterías) .
Véase también
- celdas de combustible
- Electroquímica
- batería eléctrica
- Fuente de corriente química
- Tamaños estándar de elementos galvánicos.
- elemento aire-zinc
- Cloruro de tionilo#cloruro de litio_baterías
Notas
- ↑ Bastión. Batería de Vasily Petrov . "Bastión". Consultado el 9 de febrero de 2019. Archivado desde el original el 9 de febrero de 2019.
- ↑ La batería de Vasily Petrov . www.powerinfo.ru Consultado el 9 de febrero de 2019. Archivado desde el original el 15 de julio de 2019.
- ↑ Shatelen M. A. Ingenieros eléctricos rusos de la segunda mitad del siglo XIX. - Moscú: Editorial e imprenta de Gosenergoizdat, 1949. - S. 49. - 380 p.
- ↑ Petrov V. V. INFORMACIÓN sobre experimentos galvánico-voltaicos, que fueron realizados por el profesor de física Vasily Petrov. - San Petersburgo: Imprenta del Colegio Médico Estatal, 1803.
- ↑ Físico Vasily Vladimirovich Petrov: biografía, descubrimientos, inventos . Electricista (28 de junio de 2017). Consultado el 9 de febrero de 2019. Archivado desde el original el 9 de febrero de 2019.
- ↑ La batería "gran primera" de Vasily Petrov. El Mundo de la Electricidad (enlace no disponible) . librolife.ru. Consultado el 9 de febrero de 2019. Archivado desde el original el 9 de febrero de 2019.
Literatura
- Akhmetov N. S. Química general e inorgánica.
- Aksenovich L. A. Física en la escuela secundaria: Teoría. Tareas.
- Eremin V. V., Kargov S. I., Uspenskaya I. A., Kuzmenko N. E., Lunin V. V. Fundamentos de la química física. Teoría y tareas: libro de texto para universidades.
Enlaces
- Pilas y baterías galvánicas // Diccionario enciclopédico de Brockhaus y Efron : en 86 volúmenes (82 volúmenes y 4 adicionales). - San Petersburgo. , 1890-1907.
- Celda galvánica // Enciclopedia "Técnica". — M .: Rosmen , 2006.
- Fuentes de corriente química // Gran Enciclopedia Soviética : [en 30 volúmenes] / cap. edición A. M. Projorov . - 3ra ed. - M. : Enciclopedia soviética, 1969-1978.
- www.xumuk.ru/encyklopedia/914.html
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