- ¿Qué es la electroquímica y cómo funciona?
- ¿Cómo se estudia la electroquímica?
- Aplicaciones de la electroquímica en la Química Analítica
- Medidas de calidad que se basan en la electroquímica
- Conclusión, solución, Advance
- Artículos de interés
Natasha Telleria
Publicación: 02/09/2021
Introducción
Las medidas de parámetros fisicoquímicos como pH, conductividad y concentración de iones en solución son análisis electroquímicos cotidianos que se realizan con bastante frecuencia en laboratorios tanto de investigación, como de control de calidad. El monitoreo de estos parámetros es fundamental para el buen funcionamiento de industrias como tratamiento de agua, producción de alimentos, cosméticos, entre otras.
Todos los que han pasado por un laboratorio de química, incluso durante los primeros años de estudio, han realizado alguna de estas medidas. En general el proceso es muy parecido, una sonda del tamaño de un marcador de pizarra se sumerge en la solución en estudio. La sonda está conectada a un medidor digital que muestra el resultado de la medición luego de unos pocos segundos.
El proceso de análisis es bastante sencillo, pero las sondas son tan especializadas que dependiendo de la instrumentación se pueden detectar y cuantificar elementos particulares, siempre y cuando estén cargados eléctricamente. ¿Cómo se logra esto? ¡Gracias a la electroquímica!
¿Qué es la electroquímica y cómo funciona?
La electroquímica es la rama de la química que estudia la relación entre la energía eléctrica y las reacciones químicas. Puede darse por medio de dos vías: que se genere energía eléctrica a partir de una reacción química, que es el principio básico de las baterías de nuestros controles remoto y celulares, o que por el contrario, se suministre energía eléctrica a un sistema para facilitar que ocurra una reacción química, como por ejemplo en el proceso de recubrimiento de metales protectores (niquelado).
La relación entre la energía eléctrica y la materia se da como consecuencia del intercambio de electrones que ocurre en las reacciones de oxidación-reducción o redox, como se les llama comúnmente. En dichas reacciones, un elemento pierde electrones o se "oxida", mientras que la otra sustancia gana electrones o se "reduce", generando una transferencia de electrones de una sustancia a otra.
H2 ⇋ 2H+ 2e- Oxidación
F2 + 2e- ⇋ 2F- Reducción
Estas reacciones se pueden dar de forma espontánea o por el contrario, requerir el suministro de energía externo para que puedan ocurrir. En ambos casos, las sustancias involucradas se transforman en lo que llamamos sus formas “oxidadas” o “reducidas”. Por lo tanto, los procesos electroquímicos son útiles tanto para generar energía eléctrica como para aprovecharla para formar compuestos de interés comercial.
¿Cómo se estudia la electroquímica?
Para aprovechar las reacciones redox con fines analíticos o industriales, es posible configurar los elementos involucrados en un compartimiento que permite orientar el flujo de corriente generado o suministrado, bajo condiciones controladas, en lo que denominamos celdas electroquímicas.
Una celda electroquímica es un dispositivo experimental que consiste en dos compartimientos llamados “medias celdas”, donde ocurren las reacciones de oxidación y reducción de forma separada. Cada una contiene una lámina de metal conductor (electrodo) en contacto con un electrolito. La conexión de los dos electrodos en un circuito cerrado, facilita el transporte de los electrones liberados por la reacción de oxidación hasta el electrodo donde ocurre la reducción, generando una corriente eléctrica.
Para completar el sistema, se coloca un puente salino entre las dos celdas. Se trata de un tubo lleno con una solución salina concentrada (cloruro de sodio por ejemplo), cuyos extremos opuestos están sumergidos en las soluciones electrolíticas. Su función es ir equilibrando la carga de las soluciones a medida que ocurre la reacción y garantiza el flujo continuo de los electrones.
¿Cómo se clasifican las celdas electroquímicas?
Las celdas electroquímicas se pueden clasificar en dos grandes grupos: celdas voltaicas y celdas electrolíticas.
Celdas voltaicas o galvánicas
Si la reacción electroquímica es espontánea, es decir, que no necesita suministro de energía externa para que se lleve a cabo, entonces estamos frente a una Celda Voltaica.
Las celdas voltaicas convierten la energía química en energía eléctrica y son el componente principal de las baterías, las cuales se conforman de varias celdas galvánicas conectadas en serie. Recibe su nombre del científico Alessandro Volta, quien en 1793 construyó su primera “batería” colocando láminas de plata y zinc en los extremos opuestos de una toalla de algodón humedecida con una solución salina.
En las celdas galvánicas, la media celda donde ocurre la oxidación se le denomina ánodo, mientras que en la que ocurre la reducción se denomina cátodo. Por lo tanto, en una celda voltaica los electrones fluyen del electrodo negativo al electrodo positivo (del ánodo al cátodo).
La siguiente figura muestra un ejemplo de una celda galvánica, conocida como celda de Daniel y fue utilizada como una de las primeras fuentes de energía aplicando la electroquímica.
Está conformada por un electrodo de zinc sumergido en una solución de sulfato de sodio y un electrodo de cobre sumergido en una solución de sulfato de cobre. Cuando el circuito externo se cierra, un átomo del electrodo de zinc es oxidado a ión zinc, liberando dos electrones.
Zn(s) ⇋ Zn2+ + 2e-
Los electrones pasan a través del cable de conexión externo y hasta el electrodo de cobre, donde están ahora disponibles para que un ión Cu2+ presente en la solución de sulfato de cobre en contacto con la superficie del electrodo, se reduzca a cobre atómico y pase ahora a formar parte de la red de átomos metálicos en la superficie del electrodo.
Cu2+ + 2e- ⇋ Cu(s)
El flujo de electrones en el circuito externo representa una corriente eléctrica producida por la celda. La reacción global es la suma de las dos reacciones redox que ocurren en cada media celda
Zn(s) + Cu2+ ⇋ Zn2+ + Cu(s)
Las baterías modernas existen en una variedad de formas para abarcar un amplio abanico de aplicaciones, desde pequeñas baterías de reloj hasta dispositivos más complejos usados como suministro de energía de emergencia para redes eléctricas municipales. Dependiendo de los elementos metálicos seleccionados, las baterías pueden ser de un solo uso (celdas primarias) o recargables (celdas secundarias).
Celdas electrolíticas
En las celdas electrolíticas se fuerza que ocurra la reacción química en la interfase electrodo-electrolito al suministrar energía eléctrica por medio de una fuente externa conectada a ambos electrodos. En este caso, la energía eléctrica se convierte en energía química en la forma de productos de la reacción electroquímica.
En la siguiente figura se observa una celda electrolítica de gran interés industrial, la celda cloro-soda con la cual se produce cloro gas (Cl2) y soda cáustica (hidróxido de sodio NaOH) a partir de la transformación electroquímica del agua de mar, la cual contiene iones cloruro Cl- e iones sodio Na+ disueltos en agua.
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En esta reacción electroquímica el ión cloruro se oxida a cloro gas en el electrodo de carbón, por su parte, el agua toma los electrones liberados y se reduce formando ión hidróxido (OH-) y gas hidrógeno (H2) en el electrodo de hierro.
2 Cl- + 2H2O ⇋ Cl2 + H2 + 2OH-
En las celdas electrolíticas el electrodo donde ocurre la oxidación se denomina ánodo, mientras que el electrodo donde ocurre la reducción pasa a ser el cátodo.
Otra aplicación industrial importante de este tipo de reacción electroquímica es la galvanoplastia. Mediante este proceso se forma un recubrimiento metálico en una superficie conductora. Este recubrimiento le provee al objeto una mayor resistencia a la corrosión, mayor dureza y en algunas ocasiones produce un acabado más fino. La galvanoplastia es utilizada en la producción de bienes de uso común como platería, partes de automóviles y joyería. Los metales más utilizados para recubrir son el níquel, plata, estaño, oro, cadmio, cromo y cobre.
Aplicaciones de la electroquímica en la Química Analítica
Los métodos analíticos que utilizan la electroquímica para estudiar las características de un analito se denominan Técnicas Electroanalíticas. En estas el potencial, la corriente o la carga generada por la oxidación o reducción de un analito, se utiliza como señal analítica.
Los métodos electroquímicos son una herramienta fundamental en los análisis de rutina de un laboratorio de control de calidad. Estas técnicas nos permiten medir con una alta precisión y exactitud parámetros de calidad comunes como el pH, la conductividad, la concentración de oxígeno disuelto e iones en solución
Las técnicas electroanalíticas tienen la ventaja de que son muy precisas, dan resultados en pocos segundos y no requieren procesos complicados de preparación de muestras. Con el tiempo los equipos de laboratorio han evolucionado para ser cada vez más sensibles y fáciles de usar, se han desarrollado modelos compactos resistentes al agua y a los factores ambientales, conservando sus características de desempeño.
Estas medidas se realizan en una celda electroquímica que consta de dos o más electrodos y los circuitos electrónicos necesarios para controlar y medir tanto la corriente como el potencial. En el sistema, el potencial de uno de los electrodos es sensible a la concentración del analito y se denomina electrodo de trabajo. El segundo electrodo completa el circuito eléctrico y proporciona un potencial de referencia para comparar la medida del electrodo de trabajo.
Medidas de calidad que se basan en la electroquímica.
pH/ISE
La medida de pH es quizás el parámetro fisicoquímico de calidad más utilizado, debido a su importancia en el control de los procesos químicos y metabólicos. El pH indica la acidez o basicidad de una solución. Existen diversos métodos para su determinación, sin embargo, el método electroquímico es el único que realmente tiene la capacidad de proveer una medida cuantitativa y precisa de su valor.
El pH se define como el logaritmo negativo de la concentración de protones en una solución acuosa. Para determinar esa concentración de protones se utiliza un electrodo especial de vidrio polarizable sensible al pH, es decir, que no se verá afectada por cualquier ión de carga positiva, por el contrario sólo responderá a la presencia de protones en su superficie.
Cuando el electrodo de vidrio entra en contacto con la solución acuosa, los protones migran hacia la superficie de la membrana de vidrio especial, desplazando a los iones sodio que se encuentran en la superficie del material. Este movimiento de iones genera un potencial en el electrodo.
La diferencia del potencial en el electrodo de vidrio con respecto al potencial en el electrodo de referencia, se relaciona con el pH a través de la ecuación de Nernst. El medidor entonces, mediante cálculos matemáticos, convierte el voltaje medido por la celda electroquímica en un valor de pH que nosotros vemos reflejado en la pantalla.
Dependiendo del material con el que se elabore la membrana del electrodo indicador, el mismo método potenciométrico se puede aplicar para determinar una gran variedad de iones en solución. Estos electrodos se denominan Electrodos Selectivos de Iones (ISE, por sus siglas en inglés) y proporcionan una medida efectiva, rápida y precisa de la concentración del ión específico para el cual fue diseñado.
Utilizando esta técnica se puede cuantificar de forma directa la actividad y concentración de cationes como amonio, bario, calcio, sodio, cadmio, plomo, litio, potasio, plata. También pueden medirse aniones como fluoruro, cloruro, bromuro, cianuro, tiocianato, yoduro, nitrato, sulfuro.
Oxígeno Disuelto
El oxígeno disuelto es un parámetro importante en el control de la salud de los cuerpos de agua naturales. Es necesario para la respiración de los organismos aerobios y por lo tanto, garantiza el adecuado funcionamiento del ecosistema involucrado. Su medida es clave en la detección de contaminación de aguas naturales y en el tratamiento de aguas residuales domésticas e industriales.
Para cuantificar el oxígeno disuelto en una disolución se pueden utilizar métodos electroquímicos y ópticos. El método electroquímico consiste en una celda donde el electrodo indicador está recubierto por una membrana de plástico permeable al oxígeno, el cual se reduce mientras difunde y pasa a través del cátodo. Como consecuencia, el ánodo se oxida generando un flujo de electrones (corriente eléctrica) que es proporcional a la concentración de oxígeno disuelto en la muestra.
El medidor entonces detecta esta diferencia de potencial y la convierte en unidades de concentración de oxígeno, normalmente en g/L ó porcentaje (%).
Existen dos tipos de sensores electroquímicos de oxígeno disuelto, el electrodo galvánico y el polarográfico. Se diferencian en que el primero opera como una batería donde la reacción redox ocurre de forma espontánea, mientras que en el polarográfico se necesita el suministro de corriente externa para polarizar el electrodo indicador y que ocurra la reacción.
Conductividad
La conductividad es la capacidad de un cuerpo para conducir la corriente eléctrica, es decir, de permitir el movimiento de partículas cargadas eléctricamente; y se define como el inverso de la resistencia eléctrica. En un metal los electrones están en movimiento, mientras que en las soluciones acuosas la conductividad se da por el movimiento de los iones disueltos.
La sal común es un sólido cristalino compuesto por iones sodio (Na+) e iones cloruro (Cl-), cuando se disuelven en agua estos iones se liberan y si se les aplica una corriente eléctrica, pueden moverse conduciendo la electricidad. Mientras más cantidad de iones se encuentren en solución, habrá más movimiento de cargas y la conductividad será mayor. Por lo tanto, la conductividad es una medida de la concentración de iones en solución.
Para medir la conductividad se utiliza un sistema donde se aplica una corriente alterna entre dos electrodos sumergidos en la solución que se desea estudiar y se mide la resistencia de la solución. El equipo convierte entonces el valor de resistencia medido en conductividad y es lo que refleja en la pantalla como resultado de la medición.
La conductividad tiene una alta dependencia de la temperatura debido a la influencia que ejerce tanto en la solubilidad de los iones como en su movimiento. Por esta razón, los conductímetros modernos tienen sondas de temperatura integradas con las que se hace la corrección adecuada al convertir el valor de la conductividad.
Conclusión, solución, Advance
Los medidores electroquímicos son una alternativa rápida y precisa para la medida de parámetros comunes de calidad. El diseño de electrodos se ha especializado, encontrando configuraciones específicas para un amplio rango de aplicaciones, donde los materiales y estructura logran minimizar interferencias en ciertos tipos de muestras, incrementar la sensibilidad para rangos diluidos de concentración, incrementar la resistencia química y mecánica de los elementos sensibles, etc.
El desarrollo tecnológico en estos equipos realmente ha logrado facilitar el trabajo de los técnicos de laboratorio, maximizar la eficiencia de laboratorios de control de calidad así como la productividad en una gran variedad de industrias, al garantizar la detección temprana de señales de alerta que pueden indicar niveles peligrosos de ciertos elementos.
En Advance ofrecemos una amplia gama de medidores electroquímicos de laboratorio, campo y proceso, para satisfacer las más altas exigencias de análisis en el área de agua, ambiente y alimentos, respaldados por marcas con una gran experiencia como Hach, Hanna y Balmi.
Artículos de interés
Natasha Telleria
Publicación: 02/09/2021
