Una celda galvánica es un tipo de celda electroquímica que convierte la energía química en energía eléctrica mediante una reacción de redox espontánea. Este dispositivo está compuesto por dos electrodos de metales distintos, sumergidos en soluciones electrolíticas separadas y conectados a través de un puente salino o un disco poroso, permitiendo el flujo de iones y manteniendo el equilibrio de carga. Su nombre honra a Luigi Galvani, cuyos experimentos con electricidad y tejidos biológicos fueron fundamentales para el desarrollo de la electroquímica.
En ocadiones se utiliza indistintamente el término pila voltaica. Sin embargo, la pila voltaica es un tipo de celda galvànica. Ésta fue diseñada por Alessandro Volta, y es un dispositivo precursor basado en el mismo principio electroquímico. Su invención representó un gran avance al proporcionar la primera fuente de corriente eléctrica continua.
Partes de una celda galvánica
Antes de explicar cómo funciona una celda galvànica debemos conocer un poco sus partes:
Aquí tienes una descripción detallada de cada parte de una celda galvánica:
Ánodo
El ánodo es el electrodo donde ocurre la oxidación, es decir, la pérdida de electrones.
En una celda galvánica, el ánodo actúa como el polo negativo, ya que los electrones se desprenden de él y viajan a través del circuito externo hacia el cátodo. Generalmente, el ánodo está compuesto por un metal más reactivo que tiende a perder electrones con facilidad, como el zinc en la pila de Daniell.
A medida que la reacción avanza, los átomos del ánodo se disuelven en la solución en forma de iones.
Cátodo
El cátodo es el electrodo donde ocurre la reducción, es decir, la ganancia de electrones. Es el polo positivo porque atrae los electrones provenientes del ánodo. En este electrodo, los iones en la solución se combinan con los electrones que llegan a través del circuito externo, formando átomos neutros o moléculas.
En el caso de la pila de Daniell, el cátodo está hecho de cobre, y los iones de cobre en solución se depositan sobre su superficie al aceptar electrones.
Electrolito
El electrolito es la solución iónica en la que están sumergidos los electrodos y que permite el movimiento de iones para mantener el equilibrio de cargas en la celda.
Esta solución está compuesto por sales disueltas, ácidos o bases que facilitan la conducción iónica.
En la pila de Daniell, la solución de sulfato de zinc (
) rodea el ánodo, mientras que la solución de sulfato de cobre (
) rodea el cátodo.
Puente salino o membrana porosa
El puente salino es un tubo o membrana llena de una solución de sales inertes, como el cloruro de potasio (
) o el sulfato de sodio (
), que permite la circulación de iones entre las soluciones de los electrodos. Su función es evitar la acumulación de carga eléctrica en cada semicelda y mantener la neutralidad eléctrica en la celda. Sin el puente salino, la reacción se detendría rápidamente debido a la separación de cargas.
Circuito externo
Es el camino conductor por donde se desplazan los electrones desde el ánodo hasta el cátodo. Este circuito puede estar compuesto por cables metálicos y elementos como resistencias, bombillas o motores que utilizan la energía eléctrica generada. En este recorrido, la corriente fluye en sentido opuesto al flujo de electrones, desde el cátodo hasta el ánodo, según la convención de corriente eléctrica.
¿Cómo funciona una celda galvanica?
Una celda galvánica funciona mediante una reacción de oxidación-reducción (redox) que convierte la energía química en energía eléctrica.
Esta celda consta de dos electrodos, el ánodo y el cátodo, sumergidos en soluciones de electrolitos. En el ánodo, ocurre la oxidación, donde un metal pierde electrones y se disuelve en el electrolito en forma de iones. Estos electrones viajan a través de un circuito externo hacia el cátodo, donde ocurre la reducción, es decir, los electrones se capturan por los iones metálicos del electrolito, transformándolos en átomos del metal correspondiente.
El flujo de electrones a través del circuito externo es lo que genera una corriente eléctrica, que puede ser utilizada para alimentar dispositivos. Para que el circuito interno de la celda esté completo, los iones se desplazan entre los dos electrodos a través de un puente salino o un tabique poroso, permitiendo que se mantenga el equilibrio de cargas en las soluciones.
Así, la energía química almacenada en los electrodos se convierte de manera continua en energía eléctrica mientras dure la reacción redox y haya materiales disponibles para reaccionar.
Relación con la electrólisis
El proceso inverso de una celda galvánica es la electrólisis, donde una corriente externa fuerza una reacción no espontánea. En ambos casos, el flujo de electrones se da a través del circuito externo, mientras que los iones positivos fluyen dentro del electrolito, completando el circuito eléctrico.
En resumen, en una celda galvánica los electrones se desplazan desde el ánodo (donde ocurre la oxidación) hacia el cátodo (donde ocurre la reducción), generando una corriente eléctrica a partir de una reacción química de oxidación-reducción (redox). Este principio es la base del funcionamiento de las pilas y baterías utilizadas en numerosos dispositivos electrónicos.
La pila voltaica
La pila voltaica es un tipo específico de celda galvánica, inventada por Alessandro Volta, que emplea el mismo principio de conversión de energía química a eléctrica, pero con una estructura definida. En lugar de utilizar un solo electrolito, la pila voltaica emplea dos metales diferentes, como el zinc y el cobre, sumergidos en soluciones electrolíticas separadas.
El flujo de electrones entre los dos electrodos, a través de un conductor externo, genera una corriente eléctrica constante.
La diferencia principal entre la pila voltaica y otras celdas galvánicas radica en su diseño y su capacidad para generar una fuente de energía eléctrica de manera estable. La pila voltaica fue la primera en ofrecer una fuente continua de electricidad, permitiendo avances en la tecnología eléctrica y en las primeras investigaciones sobre baterías.
Tipos de celdas
De tipos de celdas galvánicas distinguimos tres:
Celda de concentración
Una pila de concentración es una pila primaria (no recargable) que utiliza dos semiceldas galvánicas con la misma especie química pero con concentraciones diferentes.
Por ejemplo, una pila de este tipo puede estar formada por dos electrodos de cobre sumergidos en dos soluciones que contienen sulfato de cobre (
). Las dos soluciones tienen concentraciones diferentes y los electrodos están separados por un tabique poroso o por un puente salino.
La batería se descargará cuando la concentración del electrolito en las dos medias celdas sea la misma.
Celda electrolítica
Una celda electrolítica consta de dos electrodos sumergidos en un tanque que contiene un electrolito. Generalmente, el electrolito consta de dos soluciones de electrolitos que pueden intercambiar iones a través de un puente de sal o un tabique poroso.
Se produce una reacción de oxidación en el ánodo. Por otro lado, en el cátodo se produce una reacción de reducción. El resultado es que se produce una reacción redox en la celda que aprovecha la energía eléctrica externa para que se produzca.
Los signos de los polos están invertidos con respecto a una celda galvánica. En una celda electrolítica el ánodo es el polo positivo, mientras que el cátodo es el polo negativo.
Celda electroquímica
Las pilas electroquímicas están compuestas por dos semi-elementos, también llamados semi células.
Estos semi-elementos se mantienen separados por una membrana semipermeable o están contenidos en contenedores separados conectados por un puente de sal. Al conectar los semi-elementos, un semi-elemento libera electrones mediante la reacción de oxidación. A su vez, estos electrones se transfieren al otro para dar lugar a la reacción de reducción.