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Electricidad y Electroquímica

Última actualización

30 oct 2022
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- Descubrir partículas subatómicas
- Estructura atómica

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Habilidades para Desarrollar

Distinguir entre electricidad estática y corriente
Describir la fuerza electrostática y la ley de Coulomb
Definir compuestos iónicos, un electrolito y los componentes de un electrolito
Describir la electrólisis y la teoría dualista de Berzelius

Los primeros estudios de electricidad se centraron en la electrostática. La electricidad estática se puede producir cuando ciertos materiales se frotan juntos, como la seda o el pelo en algunos metales o plásticos (esto se llama el efecto triboeléctrico). Esto lleva a una separación de carga, con carga positiva en la seda o cabello y carga negativa en el metal o plástico. Probablemente te hayas dado cuenta de cómo esto puede llevar a que las cosas se peguen entre sí si tienen cargas opuestas, y también puedes observar que los mismos cargos se repelerán entre sí. Benjamin Franklin (uno de los pocos primeros científicos estadounidenses) propuso que las cargas positivas y negativas resultaron de tener demasiado o muy poco del mismo “fluido eléctrico”.

La fuerza electrostática había sido estudiada por muchos científicos, algunos de los cuales sugirieron que seguía una ley similar a la ley de Newton para la gravedad, pero Coulomb obtiene crédito por ello, porque hizo muchos experimentos que mejoraron la comprensión. En 1785, publicó la ley en su forma actual. La ecuación es:

$F=\frac{kQq}{r^{2}}$

donde F es la fuerza, k es una constante, Q y q son dos cargas, y r es la distancia entre Q y Q. Cargas similares (+/+ o -/-) repelen y cargas opuestas (+/-) atraen.

La electricidad actual, como la electricidad utilizada en cualquier dispositivo eléctrico hoy en día, fue descubierta un poco más tarde. Galvani estaba estudiando fisiología, y notó que las patas de las ranas muertas se contrajeron al entrar en contacto con dos metales diferentes. Atribuyó esto a la “electricidad animal”. Volta hizo muchos más experimentos y descubrió que los animales eran innecesarios para el efecto. Puso un trozo de papel empapado en agua salada (el electrolito, porque conduce la electricidad) entre discos de dos metales diferentes, luego conectó los metales con alambre y notó que fluía corriente eléctrica. Cuando apiló estos uno encima del otro, alternando los metales, el efecto aumentó. Este dispositivo para generar corriente llegó a llamarse “pila voltaica”.

Una pila voltaica con el “electrolito” siendo papel empapado en agua salada.

Volta publicó sus informes de pila en 1800. Ese mismo año, dos científicos ingleses publicaron sus resultados de dividir el agua en hidrógeno y oxígeno usando una pila Voltica. Este es un ejemplo de electrólisis, lo que significa usar electricidad para romper compuestos químicos.

Humphry Davy era un científico y conferencista popular que había descubierto “gas de la risa” u óxido nitroso, que todavía es utilizado por médicos y dentistas. Hizo muchos estudios electroquímicos después de 1800. Notó que durante la electrólisis de diversos compuestos, aparecen hidrógeno, metales o bases alrededor del polo negativo, y el oxígeno o el ácido aparecen alrededor del polo positivo. En base a esto, supuso que podría usar la electricidad para romper los enlaces químicos. Las bases fuertes KOH y NaOH (hidróxido de potasio e hidróxido de sodio) se conocían desde hacía mucho tiempo. (Una base neutraliza un ácido.) Se creía que el sodio y el potasio eran elementos pero no se habían aislado. Davy pudo aislarlos fundiendo y electrolizando el hidróxido de sodio sólido y el hidróxido de potasio. Las bases sólidas no conducían la electricidad, sino que una vez fundidas sí conducían, y luego se separaron en metal brillante y un gas.

K y Na son metales alcalinos. Cuando Davy los aisló, encontró que eran metales ligeros, blandos que reaccionan vigorosa y espontáneamente con el agua y el aire. Por lo que tienen que ser almacenados bajo petróleo. Davy también aisló magnesio, calcio, estroncio y bario (Mg, Ca, Sr y Ba) usando un procedimiento ligeramente modificado que involucró mercurio. Estos son los metales alcalinotérreos. También son metales blandos, ligeros, pero no son tan reactivos como los metales alcalinos.

Berzelius fue un químico muy influyente que trabajó muy duro y con mucho cuidado para determinar los pesos atómicos, sin usar la ley de Gay-Lussac o la hipótesis de Avogadro, y a quien mencionamos antes porque introdujo la idea de isomería. También hizo muchos estudios electroquímicos y tomó la hipótesis de Davy, de que la atracción química y eléctrica son la misma fuerza, mucho más lejos. Su teoría dualista decía: los elementos tienen polaridad positiva o negativa, y las reacciones químicas neutralizan parcialmente esa polaridad. Por ejemplo:

Cu (positivo) + O (negativo) → CuO (aproximadamente neutro)

Utilizó los términos electropositivo y electronegativo, que todavía se utilizan hoy en día con un significado algo diferente. Pensó que el oxígeno era el elemento más electronegativo, mientras que los metales eran generalmente electropositivos. También consideró que la polaridad del elemento estaba en un espectro, de manera que el azufre, por ejemplo, era positivo con respecto al oxígeno y negativo con respecto a los metales. Así podría combinarse con ambos; esto es muy diferente de la comprensión moderna de la atracción de Coulomb porque no tenía un claro sentido de neutralidad.

Los compuestos iónicos suelen estar compuestos por un metal y un no metal. Por ejemplo, la sal, y muchas rocas, son compuestos iónicos. Son diferentes de los compuestos moleculares porque no tienen moléculas distintas que se vaporizan como una unidad. Se mantienen unidos por cargos, no del todo como pensaba Berzelius, sino lo suficientemente cerca como para que su teoría funcionara bien para ellos.

Sin embargo, ¡la teoría de Berzelius no funcionó bien para los compuestos moleculares! Dijo que Avogadro debe estar equivocado porque dos átomos de oxígeno (O) tendrían la misma polaridad y así se repelerían entre sí. Ahora sabemos que la unión química es más complicada de lo que se dio cuenta Berzelius. Los átomos de O no se repelen entre sí, y forman una molécula diatómica.

La teoría de Berzelius retrasó el progreso de la ciencia por cerca de 50 años porque no creía en la hipótesis de Avogadro, que era necesaria para el próximo gran avance en química.

Faraday nació en una familia pobre, y descubrió la química cuando trabajaba en una librería, donde trabajamos en Conversaciones sobre Química de Jane Marcet (uno de los libros de texto más populares de la época, es sorprendente que fuera escrito por una mujer). Se convirtió en asistente de Davy, y se convirtió en un gran experimentalista. Ayudó a inventar las palabras utilizadas para la electroquímica, como iones, aniones, cationes, electrolitos y electrólisis. En ese momento, anión y catión significaban las partes del electrolito (la sal utilizada para hacer conductora del agua) que aparecían en cada electrodo. Faraday estudió la cantidad de corriente necesaria para producir una cantidad de un producto de electrólisis. Por ejemplo, la corriente que produjo 1g de hidrógeno produjo 8g de oxígeno, 36g de cloro, 125g de yodo, 104g de plomo o 58g de estaño. Faraday llamó a los aniones O, Cl e I, es decir, que se produjeron en el polo positivo, y los cationes Sn y Pb, es decir, que se produjeron en el polo negativo. Estos números podrían haber resuelto el problema de los pesos atómicos, al igual que la hipótesis de Avogadro, pero a Faraday no le interesaban los pesos atómicos ni las teorías, y Berzelius, que lo era, no creía en las leyes eléctricas de Faraday, al igual que no creía en la hipótesis de Avogadro.

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Khan Academy: Electrostática (Parte 1) (14 min)

Colaboradores y Atribuciones

Emily V Eames (City College of San Francisco)

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