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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.

La electrólisis es el método de uso de una corriente eléctrica para producir una reacción química de otra manera no espontánea. El proceso clave de la electrólisis es el intercambio de átomos y iones por la remoción o la adición de electrones desde el circuito externo. La cantidad de energía eléctrica necesaria es igual al cambio en la energía libre de Gibbs de la reacción más las pérdidas en el sistema. En la electrólisis de vapor de agua en hidrógeno y oxígeno, el calor es absorbido de los alrededores. Si las pérdidas en el sistema están cerca de cero, el valor de calentamiento del hidrógeno producido es más alto que la entrada eléctrica.

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.

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7. Hidrógeno como combustible generado a partir del agua y la energía solar

El agua es quizás la sustancia más importante para la vida en la Tierra. Es un compuesto simple hecho de dos elementos hidrógeno (H) y oxígeno (O), y cada molécula de agua se compone de dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Así se escribe la fórmula química del agua como "H2O".

El hidrógeno en sí es también un elemento muy importante en el universo. Por ejemplo, es el combustible del Sol, que genera energía mediante la fusión ( combinación ) de átomos de hidrógeno en helio en un proceso llamado fusión nuclear.

Haciendo uso de células solares, se puede utilizar directamente la energía solar para alimentar la electrólisis y producir hidrógeno.

En los sistemas de energía fotovoltaica la energía solar se utiliza para producir corriente eléctrica. En materiales semiconductores como el silicio, teluro de cadmio o seleniuro / sulfuro de cobre indio o galio la radiación solar se convierte en electricidad de corriente continua por el efecto fotovoltaico, que se rige por transferencia dependiente de la luz de los electrones de valencia a la banda de conducción de energía del sistema del semiconductor. En los sistemas de energía fotovoltaica ésta se almacena como un potencial para conducir la corriente entre los electrodos.

La disociación fotoelectroquímica del agua también es conocido como "fotosíntesis sintética". Tomando la energía del sol, la electrólisis se lleva a cabo creando hidrógeno y oxígeno del agua.

Supongamos que usted llega tener un poco de gas hidrógeno puro a mano, almacenado en un contenedor. El gas hidrógeno se compone de moléculas H2 dando vueltas en un recipiente (los átomos de hidrógeno tienden a unirse entre sí en moléculas H2). Si hay también un poco de gas oxígeno cercano (O2), y siempre hay un montón de oxígeno en el aire (el aire se compone de alrededor de 20 % de oxígeno), el oxígeno reaccionará violentamente con el gas de hidrógeno, de tal manera que el hidrógeno, arde o se quema con el oxígeno para formar agua y  calor , de acuerdo con la reacción química

2H2 + O2 -> 2 H2O + energía (calor)

Por lo tanto , si usted tiene un poco de hidrógeno, se puede quemar como combustible para generar calor !

El gas de hidrógeno se puede utilizar como combustible, ya sea para ser quemado en un motor o para hacerlo reaccionar en una pila de combustible. Este es el proceso del que dependen para su energía los llamados coches impulsados por agua. Ningún coche puede utilizar el agua como combustible, pero un coche puede ser diseñado para funcionar solamente con hidrógeno, lo que significa que el gas de escape será sólo vapor de agua.

Es posible obtener hidrógeno a partir de agua y usarlo como combustible mediante energía solar, es decir, una forma de almacenar energía, para los días cuando el sol no brilla, o en la noche, o para dispositivos móviles motorizados, como los coches. Constituyendo ésto una aplicación de electroquímica que involucra varios procesos importantes relacionados con la generación de energía eléctrica.

Si la electricidad utilizada para la electrólisis se genera a partir de combustibles fósiles, entonces se emitirá dióxido de carbono para llevar a cabo el procseso proceso de electrólisis, y la ventaja de utilizar hidrógeno como combustible se perdería. Pero si la electricidad es producida por células solares, como se se ve en la figura, entonces no habrá contaminantes emitidos en el proceso.

Se concluye a partir de la ecuación anterior que, a diferencia de la combustión de un combustible fósil (basado en el carbono) como el carbón, la combustión del hidrógeno no produce subproductos, excepto el agua , que es ambientalmente benigna. El hidrógeno se quema en forma limpia!

La quema de combustibles fósiles por otro lado, siempre da como resultado monóxido de carbono ( CO) y/o dióxido de carbono (CO2 ), que se produce cuando los átomos de carbono se combinan con el oxígeno. Estos compuestos se consideran contaminantes, ya que son gases de efecto invernadero, es decir, ayudan a atrapar el calor cerca de la superficie de la Tierra, haciendo que la temperatura superficial de la Tierra aumente, o sea, contribuyendo al calentamiento global.

La quema de combustibles fósiles tales como el carbón también por lo general libera otros contaminantes, incluyendo el dióxido de azufre, mercurio, etc., debido a que estas sustancias están generalmente presentes en mayor o menor medida en dichos combustibles. Pero si somos capaces de obtener hidrógeno sin producir gases de efecto invernadero o estos otros contaminantes, entonces, el hidrógeno es un combustible mejor de usar que los combustibles fósiles. Muchas personas ahora tienen la esperanza de que una "economía del hidrógeno" pronto reemplazará a nuestra economía actual del combustible fósil.

Obstáculos para una economía del hidrógeno

Hay dos obstáculos para una economía basada en el hidrógeno.

• Se necesita una gran cantidad de volumen (o energía) para almacenar el hidrógeno,  por lo general cinco veces más o menos el volumen, a presiones razonables, necesarios para almacenar una cantidad equivalente de energía a base de gasolina.

• No existe una infraestructura para el hidrógeno: Hacer la transición hacia una economía del hidrógeno podría significar tener que desechar la infraestructura de combustible fósil que ya hemos desarrollado. Sin embargo, hay empresas que ya han alcanzado grandes desarrollos para resolver estos problemas.

Ambos problemas podrían ser superados mediante el uso de combustibles sintéticos. Por ejemplo, es posible, utilizando un catalizador, combinar agua, dióxido de carbono ( extraído del aire ), y la electricidad renovable para hacer combustibles tales como metanol, un combustible a base de carbono. Cuando se quema este combustible, se producen agua y dióxido de carbono. Pero debido a que el dióxido de carbono utilizado inicialmente para hacer el combustible se extrae del aire, el ciclo se cierra con respecto al agua y al dióxido de carbono, y por tanto no contribuirá con dióxido de carbono adicional a la atmósfera. Las pilas de combustible ya pueden utilizar tales combustibles (ya sea extrayendo el hidrógeno del combustible antes de la celda de combustible, o incluso directamente en ciertos tipos de células de combustible) .

Es el hidrógeno peligroso?

Algunas personas están preocupadas de que el hidrógeno podría ser demasiado peligroso. Es cierto que el hidrógeno es un combustible muy explosivo, pero también lo es el gas natural y la gasolina. Por ejemplo, las películas muestran principalmente automóviles ardiendo después de chocar, y las explosiones que involucran gas natural se reportan en la prensa de vez en cuando. Dos desastres famosos relacionados con el hidrógeno son la explosión de un zeppelin (dirigible ) llamado Hindenburg ( en 1937 ), y la explosión del transbordador espacial Challenger ( en 1986). La explosión del Hindenburg , aunque a menudo citado como un ejemplo del peligro del hidrógeno, se cree por muchos que han sido causados ​​por la pintura inflamable que se incendió por una chispa eléctrica, y así podría haber prendido fuego, incluso si el zeppelin se hubiera llenado de helio ( un gas inerte, no inflamable). Mas aún, la mayoría de las personas que murieron podrían haberlo hecho por entrar en contacto con el combustible diesel ardiendo (que alimentaba los motores de propulsión tipo aeroplano del Hindenburg ) o por saltar del Zeppelin antes de que éste aterrizara.

8. 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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