Celda Voltaica Construcción Básica y Funcionamiento de la Celda Voltaica

Una célula voltaica simple se hace sumergiendo una placa de zinc y una placa de cobre en una solución de ácido sulfúrico diluido con agua. Como se muestra en la figura, si la placa de cobre y la placa de zinc están conectadas externamente con una carga eléctrica, una corriente eléctrica comienza a fluir de la placa de cobre a la placa de zinc a través de la carga. Esto significa que existe alguna diferencia de potencial eléctrico entre la placa de cobre y la placa de zinc. A medida que la corriente fluye del cobre al zinc, es obvio que la placa de cobre se carga positivamente y la placa de zinc se carga negativamente.

Funcionamiento de la Célula Voltaica

El principio de funcionamiento de la célula voltaica depende del principio de que, siempre que dos metales diferentes se sumerjan en una solución electrolítica, el metal más reactivo tendrá la tendencia de disolverse en el electrolito como iones metálicos positivos, dejando electrones detrás en la placa de metal. Este fenómeno hace que la placa de metal más reactivo se cargue negativamente.

El metal menos reactivo atraerá los iones positivos presentes en el electrolito, y por lo tanto, estos iones positivos se depositarán en la placa, haciendo que la placa se cargue positivamente. En este caso de una célula voltaica simple, el zinc sale en la solución de ácido sulfúrico como ion positivo y luego reacciona con el ion SO4 − − negativo de la solución y forma sulfato de zinc (ZnSO4). Dado que el cobre es un metal menos reactivo, los iones de hidrógeno positivos de la solución de ácido sulfúrico tienen la tendencia de depositarse en la placa de cobre. Cuantos más iones de zinc salgan a la solución, más electrones quedan en la placa de zinc. Estos electrones luego pasan a través del conductor externo conectado entre las placas de zinc y cobre.

Al llegar a la placa de cobre, estos electrones luego se combinan con los átomos de hidrógeno depositados en la placa y forman átomos de hidrógeno neutros. Estos átomos luego se combinan en pares para formar moléculas de gas hidrógeno, y el gas finalmente sube a lo largo de la placa de cobre en forma de burbujas de hidrógeno. La acción química que tiene lugar dentro de la célula voltaica es la siguiente,

No obstante, esta acción se detiene cuando el potencial de contacto entre Zn y el ácido sulfúrico diluido alcanza el valor de 0.62 Voltios. Durante la operación de una célula voltaica, la placa de zinc está a un potencial más bajo respecto a la película de solución adyacente, como se muestra en la figura a continuación.

De manera similar, cuando la placa de Cu se coloca en contacto con el electrolito, entonces los iones de hidrógeno positivos en la solución tienen la tendencia de depositarse en ella hasta que su potencial se eleva casi a 0.46 V por encima de esa solución. Por lo tanto, la diferencia de potencial eléctrico desarrollada en una célula voltaica es 0.62 − (− 0.46) = 1.08 Voltios.

En una célula voltaica simple hay principalmente dos inconvenientes, conocidos como polarización y acción local.

Polarización de la Célula Voltaica

Se observa que en esta célula, la corriente se reduce gradualmente y después de cierto tiempo de operación, la corriente puede cesar por completo. Esta disminución de la corriente se debe a la deposición de hidrógeno en la placa de cobre. Aunque el hidrógeno sale de la célula en forma de burbujas, aún se forma una capa fina de hidrógeno en la superficie de la placa. Esta capa actúa como un aislamiento eléctrico, aumentando así la resistencia interna de la célula. Debido a esta capa aislante, los iones de hidrógeno adicionales no pueden obtener electrones de la placa de cobre y se depositan en forma de iones. Esta capa de iones de hidrógeno positivos en la placa de cobre ejerce una fuerza repulsiva sobre otros iones de hidrógeno que se acercan a la placa de cobre. Por lo tanto, la corriente se reduce. Este fenómeno se conoce como polarización.

Acción Local de la Célula Voltaica

Se ha encontrado que incluso cuando la célula voltaica no está suministrando ninguna corriente, el zinc se disuelve continuamente en el electrolito. Esto se debe a que algunas trazas de impurezas como hierro y plomo en el zinc comercial forman pequeñas células locales que están cortocircuitadas por el cuerpo principal de zinc. La acción de estas células parásitas no puede controlarse, por lo que hay algún desperdicio de zinc. Este fenómeno se conoce como acción local.

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