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Conducción eléctrica a través de líquidos y gases

1. Líquidos que conducen

Al igual que ocurre con los materiales sólidos, hay algunos líquidos que conducen la electricidad, mientras que otros, no. En términos generales, los ácidos fuertes (sulfúrico, clorhídrico, nítrico) junto con las disoluciones de sus sales en agua (tales como el sulfato de cobre, nitrato de plata, cloruro sódico) y las bases (por ejemplo, la sosa acústica, el hidróxido potásico) son buenos conductores. Por otra parte, los líquidos orgánicos (por ejemplo, el benceno, los aceites, el alcohol, el fenol) son malos conductores. Para probar la conductividad de un líquido se puede utilizar la disposición que se representa en la figura 1. Obsérvese que hay una lámpara en el circuito, incluida para evitar un cortocircuito si se tocan los dos electrodos  involuntariamente.

Figura 1.-Prueba para estudiar la conducción eléctrica en liquidos.

2. Electrólisis

El efecto más importante que tiene lugar en un líquido conductor cuando pasa por él una corriente eléctrica, es que hay una reacción química en los electrodos. El nombre que se da a este proceso es electrólisis, y el líquido se denomina electrolito. El electrodo por el cual entra la corriente al líquido (sentido por convenio) es el ánodo, y el electrodo por el que sale la corriente es el cátodo. El ánodo se debe conectar al terminal positivo de la fuente de electricidad, y el cátodo al terminal negativo. Una pila voltaica o galvánica sencilla tiene un solo ánodo y un solo cátodo, pero las pilas industriales pueden tener veinte ánodos y veinte cátodos. En la figura 2 se representan dos experimentos de laboratorio básicos de electrólisis, y en la tabla 1 se resumen los efectos producidos en algunos casos.

Se puede comprobar que el material del electrodo es importante, así como el electrolito utilizado.

Figura 2. - Voltímetros de cobre y agua.

Tabla 1

3. Electrochapado y purificación

El recubrimiento de objetos con un metal a partir de disoluciones de sales de ese metal, utilizando la electrólisis -por ejemplo, el recubrimiento con cobre a partir de una disolución de sulfato de cobre- tiene una aplicación inmediata en la industria de electrochapado.

Se puede formar una película metálica muy fina en casi todos los materiales que no sean porosos, independientemente de la forma que tengan, poniendo como cátodo de una pila voltaica al objeto que se quiere recubrir. El recubrimiento de cobre, níquel o cromo se usa cada vez más con fines decorativos o para proteger, utilizándose incluso en objetos de plástico, como, por ejemplo, en los marcos de los parabrisas de los coches.

Los metales se pueden purificar realizando un proceso similar, en el cual se utilizan un ánodo impuro y un cátodo puro del mismo metal. El cátodo aumenta gradualmente su masa al irse depositando en él metal puro que proviene del ánodo, a través del electrolito, llegando a tener, en dos semanas, una masa doscientas veces más grande que la masa original. De esta forma se pueden refinar el cobre, el cinc, el estado, el oro y la plata, a partir del mineral que se extrae directamente de la tierra.

De igual forma que se realiza la purificación electrolítica, se pueden extraer metales puros a partir de sales fundidas extraídas de la tierra. El sodio y el aluminio se obtienen por electrólisis.

4. El mecanismo de la conducción eléctrica en los líquidos

En los metales las cargas eléctricas circulan a través de ellos transportadas por los electrones, formando la corriente eléctrica. Estos electrones se pueden mover como partículas libres dentro del metal. Cada electrón lleva una pequeña carga eléctrica negativa. En los líquidos conductores, las cargas eléctricas son transportadas por partículas mucho mayores, llamadas iones, que son partes de átomos o moléculas. El cloruro sódico fundido está formado por dos tipos de iones: iones sodio (positivos) e iones cloruro (negativos). La diferencia de potencial que hay entre los electrodos provoca el movimiento de los iones, siendo atraídos los iones positivos por el cátodo y los iones negativos por el ánodo. De esta forma es posible que exista una corriente eléctrica dentro del líquido (Fig. 3).

El efecto se puede describir de la siguiente forma: el ion Na+ gana un electrón en el cátodo y el ion Cl- pierde un electrón en el ánodo:

Este proceso tiene como resultado que la corriente eléctrica puede circular a través del líquido y mientras tanto se va produciendo sodio y cloro.

El proceso es más complicado cuando se utiliza como electrolito una disolución de algún compuesto en agua (por ejemplo, el ácido clorhídrico), puesto que el agua también es iónica. Cuando hay dos tipos de iones negativos, se descarga preferentemente uno. (El orden de prioridades se conoce como serie electroquímica, y si el lector desea más información sobre el tema puede consultar un libro que trate de electroquímica, donde se explica detalladamente el fenómeno.)

El agua produce los iones H+, OH- y H30+, mientras que el ácido clorhídrico se ioniza en H+ y Cl-. Las ecuaciones que tienen lugar no son sencillas, pero en definitiva tiene lugar una transferencia de electrones desde el cátodo al ánodo, además de producirse hidrógeno y oxígeno en la proporción de 2:1 en volumen.

5. Conducción eléctrica en los gases

Los gases normalmente no son buenos conductores (si lo fueran, todas las pilas y las baterías se descargarían rápidamente al producirse cortocircuitos a través del aire), pero sometidos a tensiones eléctricas muy altas o a presiones muy bajas pueden conducir la corriente eléctrica. El rayo es un ejemplo extremo del paso de electricidad a través de un gas, mientras que los tubos fluorescentes normales o los anuncios de neón también constituyen ejemplos donde se utiliza el paso de una corriente eléctrica a través de un gas.

El rayo es como una gran chispa que salta entre una nube y otra o entre una nube y la tierra, después de haberse cargado durante una tormenta. Hay una gran cantidad de energía en los rayos y se producen tensiones eléctricas extremadamente altas (millones de voltios).

En circunstancias normales sólo hay unas pocas moléculas de aire de cada mil que están ionizadas, pero cuando se aplica una tensión muy alta se ionizan muchas más. Los iones positivos y negativos se aceleran por el efecto de la tensión, produciéndose más iones al chocar unas moléculas con otras, hasta que el aire se convierte en un conductor eléctrico. La corriente seguirá un camino en zig-zag a través de las zonas más ionizadas, desprendiéndose luz y calor en el proceso.

A bajas presiones (aproximadamente 1/100 de la presión atmosférica normal) los gases son mejores conductores porque los iones chocan menos unos con otros y, por tanto, pueden alcanzar la velocidad necesaria para producir una ionización mayor bajo tensiones mucho más pequeñas. El color de la luz emitida depende del gas que se utilice, y este efecto se utiliza en la fabricación de anuncios luminosos compuestos de tubos que contienen el gas apropiado, según el color que se desee, a baja presión. El neón da un brillo rojo, el helio un azul blanquecino, el vapor de mercurio un verde azulado, el vapor de sodio un amarillo brillante, etc. .

Mezclando gases se puede disponer de casi todos los colores que se deseen, y utilizando tubos estrechos la luz se concentra en una línea brillante del color requerido. La forma del tubo es lo de menos.

Además de los anuncios luminosos, también constituyen ejemplos de lámparas de descarga de gas las lámparas que se utilizan en las farolas de las calles, que son de vapor de mercurio o de sodio, aunque este tipo de lámparas necesita un tiempo de calentamiento al encenderse para producir el vapor suficiente a partir del mercurio o del sodio líquido.

Los utilizan la misma técnica, con la característica de emitir energía principalmente en la región ultravioleta del espectro. En este caso, la superficie interior del tubo está recubierta con fósforo, que absorbe la luz ultravioleta y la convierte en una mezcla de colores visibles. De esta forma se puede obtener una luz bastante parecida a la blanca. El coste de funcionamiento de los tubos fluorescentes es mucho menor para una cantidad de luz dada, comparado con las lámparas de filamentos, donde se produce una cantidad de energía calorífica muy significativa junto con la energía luminosa.

6. Chispas

Las chispas que se producen entre los contactos eléctricos son otra prueba de la conducción eléctrica en gases. Hay ocasiones en que las chispas son provocadas intencionadamente, como ocurre en el caso de los encendedores de gas piezoeléctricos o en el caso de las bujías de un coche, por ejemplo, pero hay veces en que se producen chispas al separar dos contactos, al accionar un interruptor de la luz o al funcionar un timbre eléctrico, y en estos casos no es conveniente. Si no se quiere derrochar energía se deben diseñar cuidadosamente los puntos de contacto. En general, las esquinas muy marcadas y las formas puntiagudas provocan más chispazos que las superficies lisas y planas . En condiciones adecuadas puede ser suficiente con una tensión eléctrica baja para provocar un chispazo (es el caso de un cortocircuito en una batería), pero por regla general se produce donde hay diferencias de potencial de cientos o miles de voltios, e incluso más. Para reducir las chispas que se producen entre los contactos de los interruptores se puede utilizar un condensador.

Puesto que para que se produzca una chispa o una descarga eléctrica de cualquier tipo se necesita que haya iones u otras partículas cargadas, en el vacío no se pueden producir chispas.

Ver : Electrólisis. Galvanoplastía.

7. Resumen

- Cuando circula una corriente eléctrica a través de un líquido, tiene lugar la electrólisis.

- Los líquidos conducen la electricidad por medio del movimiento de iones cuyas cargas se neutralizan en los electrodos.

- Una pila voltaica o galvánica se compone de un recipiente, de unos electrodos y de un electrolito, dentro del cual tiene lugar la electrólisis.

- El proceso electrolítico se utiliza en electrochapado y en la extracción y purificación de metales.

- Los gases conducen la corriente eléctrica cuando son sometidos a tensiones elevadas y a presiones bajas, o cuando saltan chispas.


Oxygen and Hydrogen Production by Electrolysis

In the year 1800, Nicholson and Carlisle showed that on conducting an electric current through water by immersing the two terminals of a voltaic pile into it, hydrogen was produced at one of the terminals and oxygen was produced at the other. In the commercial electrolysis of water, the water is made a conductor by the addition of alkalis or acids. The alkalis are almost entirely used commercially because they are cost effective, and because of the resistance of a greater class of materials to their chemical action.

When an electric current is passed through an alkaline solution, the water is decomposed by a primary and secondary reaction, so that the hydrogen is liberated at the negative pole, or cathode, and the oxygen is liberated at the positive pole, or anode. The equipment and functions necessary for the decomposition of water follow:

(1) A container to hold the alkaline or acid solution or water, called the electrolyte; an anode, which is submerged in the solution and to which the current from an outside source is led

(2) A cathode, submerged in the solution to receive the current and lead it back to its source

(3) A dividing wall to separate the gases and a means for collecting them separately, and conducting them to some desired point.

DC Current. The necessary current must be a direct current so that the evolution of gas will always be at the same point. It is not practical to use alternating current.

The introduction, development and use of hydrogen and oxygen for cutting steel and welding aluminum, and the large demand for hydrogen for other industrial purposes contributed further to the development of the electrolysis method of producing oxygen and hydrogen.

The distinctive feature of this method is the simultaneous production of two volumes of hydrogen for every one volume of oxygen.

Producción de oxígeno  e hidrógeno por electrólisis

En el año 1800, Nicholson y Carlisle demostraron que al conducir una corriente eléctrica a través del agua por inmersión de dos terminales de una pila voltaica dentro del mismo, se producía hidrógeno en uno de los terminales y oxígeno era producido en el otro. En la electrólisis comercial del agua, el agua se hace conductora por la adición de álcalis o ácidos. Los álcalis con casi completamente usados comercialmente debido a que los mismos son económicos, y debido a la resistencia de una gran cantidad de materiales a su acción química.

Cuando una corriente eléctrica se pasa a través de una solución alcalina, el agua se descompone por una reacción primaria y secundaria, de manera que el hidrógeno es liberado en el polo negativo, o cátodo, y el oxígeno es liberado en el polo positivo, o ánodo.  El equipamiento y las funciones necesarias para la descomposición del agua son como siguen:

(1) Un contenedor para mantener la solución ácida o alcalina o agua, llamado el electrolito; un ánodo, sumergido en  la solución para recibir la corriente y retornarla a su fuente.

(2) Un cátodo, sumergido en la solución para recibir la corriente y retornarla a su fuente.

(3) Una pared divisoria para separar los gases y los medios para recolectarlos separadamente, y conducirlos a algún punto deseado.

Corriente continua CC. La corriente necesaria debe ser directa o continua de manera que la evolución del gas sea siempre en el mismo punto. No es práctico usar corriente alterna. La introducción, desarrollo y el uso del hidrógeno y el oxígeno para cortar acero y soldar aluminio, y la gran demanda de hidrógeno para otros propósitos industriales contribuyeron al desarrollo del método electrolítico para producir oxígeno e hidrógeno.

La característica distintiva de éste método es la producción simultánea de dos volúmenes de hidrógeno por cada volumen de oxígeno.

   
   

 

 

 

 

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