¿Cómo funciona la química?
Autor:
Juan Guillermo Rivera Berrío
Código JavaScript para el libro: Joel Espinosa Longi, IMATE, UNAM.
Recursos interactivos: DescartesJS, Herramientas de IA, ChatGPT y Gemini.
Fuentes: Lato y UbuntuMono
Imagen de portada: ilustración generada por GPT Image 2
Red Educativa Digital Descartes
Córdoba (España)
descartes@proyectodescartes.org
https://proyectodescartes.org
Proyecto iCartesiLibri
https://proyectodescartes.org/iCartesiLibri/index.htm
ISBN: 978-84-10368-51-4
Esta obra está bajo una licencia Creative Commons 4.0 internacional: Reconocimiento-No Comercial-Compartir Igual.
Comprender el mundo comienza por hacerse una pregunta sencilla, pero poderosa: ¿cómo funciona? Esa curiosidad ha impulsado el desarrollo de la ciencia, la tecnología y el conocimiento humano desde tiempos remotos. La colección "¿Cómo funciona?" nace precisamente con ese propósito: ofrecer respuestas claras, rigurosas y accesibles a los fenómenos que despiertan nuestra curiosidad cotidiana.
Cada libro de esta colección está diseñado para transformar conceptos que, a primera vista, pueden parecer complejos en explicaciones comprensibles, ilustradas y apoyadas por recursos interactivos. En lugar de limitarse a presentar definiciones o fórmulas, la colección invita al lector a descubrir los mecanismos que hacen posible el funcionamiento de los objetos, procesos y fenómenos que forman parte de nuestra vida diaria.
En este volumen, ¿Cómo funciona la química?, emprendemos un recorrido por algunos de los procesos químicos más importantes y fascinantes. Descubriremos cómo se producen las reacciones químicas, por qué ocurre la combustión, de qué manera actúan los catalizadores, cómo una batería genera electricidad, qué representa realmente el pH, cómo la electrólisis permite separar sustancias, por qué la destilación consigue purificar mezclas y cómo una célula electroquímica convierte la energía química en energía eléctrica. Cada capítulo responde a una pregunta concreta, construyendo una visión integral de la química a partir de explicaciones progresivas y ejemplos cercanos.
Fiel al espíritu de la colección "¿Cómo funciona?", este libro combina texto, ilustraciones, diagramas, simulaciones y actividades interactivas que convierten el aprendizaje en una experiencia dinámica y participativa. Gracias al uso de tecnologías educativas modernas y
recursos digitales, el lector no solo encontrará respuestas, sino que también podrá experimentar, explorar y poner a prueba los conceptos estudiados.
La química está presente en cada respiración, en los alimentos que consumimos, en los materiales que utilizamos, en la energía que alimenta nuestros dispositivos y en los procesos biológicos que hacen posible la vida. Comprender cómo funciona significa desarrollar una mirada científica sobre el mundo y reconocer que detrás de cada transformación existe una explicación basada en la interacción de átomos y moléculas.
Esperamos que este libro despierte nuevas preguntas, fortalezca el pensamiento crítico y motive al lector a seguir explorando el extraordinario universo de la ciencia. Porque cada respuesta abre la puerta a nuevas preguntas, y cada ¿Cómo funciona? es el comienzo de un nuevo descubrimiento.
Juan Guillermo Rivera Berrío
2026
Desde el aire que respiramos hasta el alimento que nutre nuestros cuerpos, la química es la ciencia fundamental que explica el mundo que nos rodea. Es el estudio de la materia y sus propiedades, así como de las transformaciones que experimenta. Cada objeto, cada ser vivo, e incluso nosotros mismos, estamos compuestos por átomos y moléculas, y comprender cómo interactúan es la esencia de la química.
Imagina que todo lo que vemos, tocamos y sentimos está construido a partir de bloques de construcción diminutos e invisibles: los átomos. Estos átomos, a su vez, se unen para formar moléculas, las cuales son la base de todo lo que existe. La química se adentra en la estructura de estos átomos, sus componentes (protones, neutrones y electrones), y cómo su disposición determina las características únicas de cada elemento. La verdadera magia de la química reside en cómo estos átomos y moléculas interactúan. Cuando dos o más sustancias se combinan, pueden dar lugar a algo completamente nuevo, a menudo con propiedades muy diferentes a las de sus componentes originales. Estas son las reacciones químicas, procesos fascinantes que liberan o absorben energía y que son la fuerza impulsora detrás de innumerables fenómenos.
En este viaje, exploraremos los principios básicos que rigen estas interacciones.
Imagina que los átomos son como pequeños bloques de construcción. Una reacción química es esencialmente un proceso donde estos bloques se reorganizan. No es que los átomos desaparezcan o se creen de la nada; más bien, los enlaces que los unen en las sustancias originales, llamadas reactivos, se rompen. Una vez rotos, los átomos se combinan de nuevas maneras para formar sustancias diferentes, conocidas como productos. Piensa en ello como desarmar un tren de bloques y usar las mismas piezas para construir un coche o una casa.
Durante una reacción química, la energía juega un papel crucial. Para que los enlaces en los reactivos se rompan, se necesita suministrar energía. A veces, esta energía proviene del calor, de la luz o de la electricidad. Una vez que los átomos se reorganizan y forman nuevos enlaces en los productos, a menudo se libera energía. Si la energía liberada es mayor que la energía absorbida para romper los enlaces, la reacción se considera exotérmica y libera calor al entorno (como cuando quemas madera). Si se requiere más energía para romper los enlaces que la que se libera al formar los nuevos, la reacción es endotérmica y absorberá calor del entorno (como cuando algunos paquetes de frío instantáneo se enfrían al romperse la bolsa interior).
La forma en que se representan estas reorganizaciones y cambios de energía se hace a través de ecuaciones químicas. Estas ecuaciones son como recetas moleculares que nos dicen qué sustancias reaccionan y cuáles se producen. Los reactivos se escriben a la izquierda de una flecha, y los productos a la derecha. La flecha indica la dirección de la reacción, es decir, cómo los reactivos se transforman en productos. Por ejemplo, la formación de agua a partir de hidrógeno y oxígeno se representa de la siguiente manera:
$$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$$En esta ecuación, $H_2$ representa moléculas de hidrógeno y $O_2$ representa moléculas de oxígeno. El número delante de las fórmulas ($2$) se llama coeficiente estequiométrico y nos indica la cantidad relativa de cada molécula que participa en la reacción para que la ecuación esté balanceada, asegurando que el número de átomos de cada elemento sea el mismo en ambos lados.
El balanceo de las ecuaciones químicas es fundamental porque se basa en la ley de conservación de la masa, que establece que la materia no se crea ni se destruye en una reacción química. Esto significa
que el número total de átomos de cada elemento antes de la reacción (en los reactivos) debe ser igual al número total de átomos de ese mismo elemento después de la reacción (en los productos). Por ejemplo, en la ecuación de formación de agua, contamos:
Reactivos: $2$ moléculas de $H_2$ contienen $2 \times 2 = 4$ átomos de hidrógeno. $1$ molécula de $O_2$ contiene $2$ átomos de oxígeno.
Productos: $2$ moléculas de $H_2O$ contienen $2 \times 2 = 4$ átomos de hidrógeno y $2 \times 1 = 2$ átomos de oxígeno.
Observamos que hay $4$ átomos de hidrógeno y $2$ átomos de oxígeno en ambos lados, cumpliendo así la ley de conservación de la masa. Las reacciones químicas son procesos dinámicos, donde los enlaces se rompen y se forman continuamente hasta que se alcanza un estado de equilibrio o uno de los reactivos se agota.
El siguiente objeto interactivo de Phet, permite: reconocer que los átomos se conservan durante una reacción química, emplear experiencias cotidianas concretas (como preparar sándwiches) para describir lo que significa un reactivo limitante en una reacción química e identificar el reactivo limitante en una reacción química, con base en la cantidad de reactivos e índices de moléculas en una ecuación química balanceada.
La combustión es una reacción química fascinante que está presente en innumerables aspectos de nuestra vida diaria, desde la llama de una vela hasta el motor de un automóvil. En su esencia, la combustión es un proceso de oxidación rápida que libera una gran cantidad de energía en forma de calor y luz. Para que ocurra, se necesitan tres elementos clave que a menudo se conocen como el "triángulo del fuego": un combustible, un comburente (generalmente oxígeno) y una fuente de ignición o temperatura de activación suficiente. Sin la presencia simultánea de estos tres componentes, la reacción de combustión no puede iniciarse ni mantenerse.
Consideremos un ejemplo común: la quema de madera. La madera actúa como el combustible, proporcionando las moléculas orgánicas ricas en carbono e hidrógeno. El comburente es el oxígeno presente en el aire. Cuando aplicamos una fuente de ignición, como una cerilla encendida, se suministra la energía necesaria para romper los enlaces químicos de las moléculas de combustible y de oxígeno, permitiendo que comiencen a reaccionar. El resultado de esta reacción es la formación de nuevas sustancias, principalmente dióxido de carbono ($CO_2$) y agua ($H_2O$), junto con la liberación de la mencionada energía.
Desde un punto de vista químico, la combustión se representa mediante ecuaciones que muestran los reactivos y los productos. Por ejemplo, la combustión completa del metano ($CH_4$), el principal componente del gas natural, se describe de la siguiente manera:
$$CH_4(g) + 2O_2(g) \rightarrow CO_2(g) + 2H_2O(g) + \text{Energía}$$Esta ecuación nos indica que una molécula de metano reacciona con dos moléculas de oxígeno para producir una molécula de dióxido de carbono y dos moléculas de agua, liberando energía en el proceso. La clave de esta reacción es la formación de enlaces más estables en los productos que en los reactivos, lo que resulta en una disminución de la energía total del sistema y la liberación de la diferencia como calor y luz.
No toda combustión es igual de eficiente o produce los mismos resultados. Hablamos de combustión completa cuando hay suficiente oxígeno para reaccionar completamente con el combustible, produciendo principalmente $CO_2$ y $H_2O$. Sin embargo, si el suministro de oxígeno es limitado, puede ocurrir una combustión incompleta. En este caso, además de los productos anteriores, se pueden formar otras sustancias, como monóxido de carbono ($CO$), un gas tóxico, y
hollín (carbono elemental, $C$). La ecuación para la combustión incompleta del metano puede variar, pero un ejemplo es:
$$2CH_4(g) + 3O_2(g) \rightarrow 2CO(g) + 4H_2O(g) + \text{Energía}$$
Esta diferencia en los productos resalta la importancia de controlar las condiciones de reacción para optimizar la eficiencia y minimizar la producción de subproductos indeseados.
La energía liberada durante la combustión puede ser aprovechada de diversas maneras. En las centrales eléctricas, se utiliza para calentar agua y generar vapor, que a su vez mueve turbinas para producir electricidad. En los motores de los vehículos, la rápida expansión de los gases calientes producidos por la combustión impulsa los pistones, generando movimiento. La química de la combustión, por lo tanto, no solo explica un fenómeno natural, sino que también es fundamental para el desarrollo de tecnologías que han transformado la sociedad, desde el transporte hasta la generación de energía, demostrando el poder de las reacciones químicas controladas.
El siguiente objeto interactivo fue diseñado por Nichole DePaul en . Se recomienda interactuar con el objeto en pantalla ampliada (botón superior derecho para hacer zum).
Imagina que quieres que una reacción química ocurra más rápido. A veces, las moléculas necesitan una pequeña ayuda para unirse o romperse. Aquí es donde entra en juego el catalizador. Un catalizador es una sustancia que acelera una reacción química sin ser consumida en el proceso. Piensa en él como un intermediario o un facilitador que hace que el camino hacia el producto sea más fácil.
La clave de cómo funcionan los catalizadores reside en su capacidad para reducir la energía de activación necesaria para que una reacción comience. Cada reacción química tiene una barrera de energía que las moléculas deben superar para transformarse en productos. El catalizador proporciona una ruta alternativa o un mecanismo de reacción diferente que requiere menos energía. Es como encontrar un atajo en un camino montañoso; llegas a tu destino más rápido y con menos esfuerzo.
Una forma común en que los catalizadores logran esto es uniéndose temporalmente a uno o más de los reactivos. Al formar un enlace débil con ellos, el catalizador puede modificar su estructura, haciéndolos más propensos a reaccionar entre sí o a romperse. Una vez que los productos se forman, el catalizador se libera sin cambios, listo para catalizar otra molécula de reactivo. Este ciclo de unión y liberación es fundamental para su funcionamiento continuo.
Consideremos, por ejemplo, la reacción de descomposición del peróxido de hidrógeno, el típico agua oxigenada que usamos para curar heridas. En ausencia de un catalizador, esta reacción es bastante lenta. Sin embargo, al añadir pequeñas cantidades de dióxido de manganeso ($MnO_2$), la reacción se vuelve vigorosa y produce oxígeno gaseoso rápidamente.
$$2H_2O_2(aq) \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O(l) + O_2(g)$$En este caso, el dióxido de manganeso actúa como catalizador. No se gasta en la reacción; simplemente facilita el proceso. Los catalizadores son esenciales en innumerables procesos industriales, desde la producción de plásticos y combustibles hasta la fabricación de medicamentos, y también juegan un papel crucial en sistemas biológicos, donde las enzimas actúan como catalizadores para mantenernos vivos.
El siguiente objeto interactivo es un cuestionario tipo "Falso o verdadero" sobre catalizadores con retroalimentación.
Imagina una batería como un pequeño almacén de energía, pero en lugar de tener objetos físicos apilados, guarda su energía en forma de reacciones químicas. Básicamente, una batería es un dispositivo que convierte la energía química almacenada en energía eléctrica utilizable. Esto se logra a través de un proceso llamado electroquímica, que involucra el movimiento de electrones.
Dentro de una batería, encontramos tres componentes clave: dos electrodos (uno llamado ánodo y otro cátodo) y un electrolito. El electrolito es una sustancia, a menudo líquida o en gel, que permite el paso de iones (átomos o moléculas con carga eléctrica) entre los electrodos, pero no de los electrones. Cuando conectas una batería a un dispositivo, como una linterna, se completa un circuito. En este punto, las reacciones químicas en los electrodos se ponen en marcha.
En el ánodo, ocurre una reacción de oxidación, donde los átomos o moléculas pierden electrones. Estos electrones liberados no pueden pasar directamente a través del electrolito. En cambio, son forzados a viajar a través del circuito externo (tu linterna) para llegar al cátodo. Este flujo de electrones a través del cable es lo que conocemos como corriente eléctrica, la cual alimenta tu dispositivo.
Simultáneamente, en el cátodo, ocurre una reacción de reducción, donde los átomos o moléculas ganan electrones. Los electrones que viajan por el circuito externo llegan al cátodo, completando el ciclo. El electrolito juega un papel crucial al permitir que los iones se muevan entre los electrodos, equilibrando las cargas y manteniendo las reacciones químicas en funcionamiento. Podemos ver este proceso como un intercambio continuo de electrones y iones, orquestado por la química.
La diferencia de potencial electroquímico entre los dos electrodos es lo que impulsa el flujo de electrones. Esta diferencia se puede expresar en voltios (V) y depende de los materiales específicos utilizados como ánodo y cátodo, así como de la composición del electrolito. La energía total que una batería puede proporcionar se relaciona con su capacidad, a menudo medida en amperios-hora (Ah), que indica cuánta corriente puede suministrar durante un período determinado.
En resumen, la magia de una batería química reside en su capacidad para catalizar reacciones que liberan electrones (oxidación en el ánodo) y aceptan esos mismos electrones (reducción en el cátodo), con el electrolito facilitando el movimiento de iones para cerrar el circuito interno. Este flujo dirigido de electrones a través de un circuito externo es la electricidad que utilizamos en nuestro día a día.
El pH es una medida fundamental en química que nos indica cuán ácida o básica (alcalina) es una solución acuosa. Imagina una escala que va desde 0 hasta 14. En el extremo inferior (cerca de 0) encontramos los ácidos más fuertes, mientras que en el extremo superior (cerca de 14) están las bases más fuertes. El punto central, el 7, representa una solución neutra, como el agua pura. Comprender esta escala nos ayuda a predecir cómo reaccionarán diferentes sustancias y a controlar procesos químicos en laboratorios y en la vida cotidiana.
Esta medida de acidez o basicidad está directamente relacionada con la concentración de iones hidrógeno ($H^+$) en la solución. Las soluciones ácidas tienen una mayor concentración de estos iones, mientras que las soluciones básicas tienen una menor concentración de iones hidrógeno y, en su lugar, una mayor concentración de iones hidróxido ($OH^-$). La relación entre estas dos concentraciones es constante en una solución acuosa a una temperatura dada, lo que nos permite relacionar directamente la acidez con la basicidad.
Formalmente, el pH se define como el logaritmo negativo en base 10 de la actividad de los iones hidrógeno. Aunque en soluciones diluidas la actividad es aproximadamente igual a la concentración molar, la definición más precisa utiliza la actividad. La fórmula se expresa de la siguiente manera:
$$\text{pH} = -\log_{10}[H^+]$$Donde $[H^+]$ representa la concentración molar de iones hidrógeno. Por ejemplo, si una solución tiene una concentración de iones hidrógeno de $1 \times 10^{-3}$ moles por litro, su pH sería:
$$\text{pH} = -\log_{10}(1 \times 10^{-3}) = -(-3) = 3$$Esto indica que la solución es ácida. De manera similar, podemos calcular el pOH (que mide la basicidad) usando la concentración de iones hidróxido:
$$\text{pOH} = -\log_{10}[OH^-]$$Existe una relación directa entre el pH y el pOH en soluciones acuosas a $25^\circ C$:
$$\text{pH} + \text{pOH} = 14$$Esta ecuación es crucial porque nos permite determinar el pH si conocemos el pOH, o viceversa, simplemente conociendo la concentración de uno de los iones. Esto simplifica mucho el análisis de una solución, ya que a menudo solo necesitamos medir una de estas variables para entender la naturaleza de la solución completa.
Los indicadores de pH, como el papel tornasol o ciertas sustancias orgánicas, cambian de color en diferentes rangos de pH. Estos cambios de color son el resultado de reacciones químicas que afectan la estructura molecular del indicador, alterando la forma en que absorbe la luz. Esta propiedad hace que los indicadores sean herramientas visuales muy útiles para estimar rápidamente el pH de una solución sin necesidad de aparatos de medición complejos. Es un ejemplo práctico de cómo las propiedades químicas se manifiestan de forma observable.
En la siguiente simulación de Phet, se puede determinar si una solución es ácida, básica o neutra; ubicar ácidos o bases en orden de acidez o alcalinidad relativa; relacionar el color del líquido con el pH y predecir cómo el volumen de la solución o la dilución con agua afectará el pH de ácidos o bases.
La electrólisis es un fascinante proceso químico que utiliza la electricidad para forzar una reacción química que, de otro modo, no ocurriría espontáneamente. Imagina intentar separar el agua en sus componentes básicos, hidrógeno y oxígeno. Sin un aporte externo de energía, esto es prácticamente imposible. La electrólisis proporciona esa energía, actuando como un catalizador eléctrico para descomponer sustancias compuestas. Esencialmente, estamos utilizando la fuerza de los electrones para romper enlaces químicos.
El funcionamiento de la electrólisis se basa en la presencia de un electrolito, que es una sustancia que contiene iones libres y puede conducir la electricidad. Este electrolito puede ser una sal fundida o una disolución acuosa de un ácido, una base o una sal. Dentro de este electrolito, colocamos dos electrodos: un ánodo (conectado al polo positivo de una fuente de energía eléctrica) y un cátodo (conectado al polo negativo). Cuando se aplica un voltaje, los iones presentes en el electrolito comienzan a moverse.
Los iones positivos, llamados cationes, son atraídos hacia el cátodo, que tiene un exceso de electrones. Al llegar al cátodo, los cationes ganan electrones y se reducen, transformándose en átomos neutros o moléculas. Por otro lado, los iones negativos, conocidos como aniones, son atraídos hacia el ánodo, que tiene una deficiencia de electrones. En el ánodo, los aniones pierden electrones y se oxidan, produciendo átomos neutros, moléculas o incluso liberando electrones que fluyen por el circuito externo.
Consideremos la electrólisis del agua. El agua pura es un mal conductor, por lo que generalmente se añade una pequeña cantidad de ácido o sal para aumentar su conductividad. Cuando aplicamos un voltaje a los electrodos sumergidos en el agua, los iones hidrógeno ($H^+$) (provenientes de la disociación del agua o del electrolito añadido) migran hacia el cátodo. Allí, reciben electrones y se reducen a gas hidrógeno:
$$2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq)$$O de forma simplificada, si consideramos la presencia de iones H+:
$$2H^+(aq) + 2e^- \rightarrow H_2(g)$$Mientras tanto, los iones hidróxido ($OH^-$) o las moléculas de agua se dirigen hacia el ánodo.
En el ánodo, ocurre la oxidación, liberando gas oxígeno:
$$4OH^-(aq) \rightarrow O_2(g) + 2H_2O(l) + 4e^-$$O para moléculas de agua directamente:
$$2H_2O(l) \rightarrow O_2(g) + 4H^+(aq) + 4e^-$$La reacción global, sumando ambas semirreacciones, nos muestra la descomposición del agua en sus elementos constituyentes:
$$2H_2O(l) \xrightarrow{electrólisis} 2H_2(g) + O_2(g)$$Este proceso, aunque utiliza electricidad, es fundamental para la producción de muchos elementos y compuestos de forma pura, como el aluminio o el cloro, y tiene aplicaciones cruciales en la industria.
La destilación es un proceso de separación basado en la diferencia de los puntos de ebullición de los componentes de una mezcla líquida. Imagina que tienes agua y alcohol. El alcohol se evapora a una temperatura más baja que el agua. La destilación aprovecha esta propiedad para obtener uno de los componentes de forma más pura. Básicamente, se calienta la mezcla hasta que el componente más volátil (el que tiene menor punto de ebullición) comienza a convertirse en vapor, mientras que los otros componentes permanecen en estado líquido.
La destilación es un proceso de separaci
Una vez que el vapor se ha formado, se dirige hacia una zona más fría, generalmente a través de un condensador. Este condensador es un tubo rodeado de un flujo constante de agua fría. Al entrar en contacto con las paredes frías del condensador, el vapor vuelve a su estado líquido, pero ahora estará enriquecido en el componente más volátil. Este líquido destilado se recoge en un recipiente separado, logrando así la separación deseada. La eficiencia de la destilación depende de cuán diferentes sean los puntos de ebullición de los componentes y del diseño del equipo utilizado.
En términos más técnicos, el proceso se puede describir mediante la ley de Raoult, que relaciona la presión de vapor de una solución con la presión de vapor de sus componentes puros y sus fracciones molares. Para una mezcla binaria de dos componentes, A y B, la presión de vapor total ($P_{total}$) sobre la solución a una temperatura dada se puede expresar como:
$$P_{total} = P_A^* x_A + P_B^* x_B$$Donde $P_A^*$ y $P_B^*$ son las presiones de vapor de los componentes puros A y B respectivamente, y $x_A$ y $x_B$ son sus fracciones molares en la fase líquida. Cuando la mezcla se calienta, el vapor que se forma tendrá una composición diferente a la del líquido, con una mayor proporción del componente más volátil, tal como lo describe la ley de Dalton de las presiones parciales.
El diseño de un alambique de destilación es crucial para su efectividad. Un alambique típico consta de un recipiente de calentamiento (donde se encuentra la mezcla inicial), un tubo ascendente (por donde asciende el vapor) y un condensador. En procesos industriales, se utilizan sistemas más complejos, como las columnas de destilación, que permiten múltiples etapas de vaporización y condensación, optimizando la pureza del producto final. Estos sistemas, a menudo,
incorporan platos o empaques que aumentan el área de contacto entre el vapor y el líquido, facilitando una separación más eficiente.
La destilación no es solo un método de laboratorio; tiene aplicaciones industriales masivas. Es fundamental en la producción de bebidas alcohólicas como el whisky, el vodka y el ron, donde se utiliza para concentrar el etanol. También es vital en la industria petroquímica para separar el crudo en sus diversos componentes, como la gasolina, el diésel y el queroseno. Incluso en la purificación de agua para obtener agua destilada, este principio químico juega un papel central, demostrando su versatilidad y su importancia en nuestra vida diaria.
Imagina que tienes dos recipientes, cada uno con una solución diferente, y los conectas mediante un puente salino o una membrana porosa. Dentro de cada recipiente, introduces un electrodo, un material conductor. Cuando las sustancias en estas soluciones pueden intercambiar electrones, se produce una reacción electroquímica. Una célula electroquímica aprovecha este fenómeno para generar electricidad o para impulsar una reacción química que de otro modo no ocurriría.
En esencia, una célula electroquímica consta de dos electrodos sumergidos en electrolitos. Un electrodo se llama ánodo, donde ocurre la oxidación, es decir, la pérdida de electrones. El otro electrodo se llama cátodo, donde ocurre la reducción, la ganancia de electrones. Estos electrones liberados en el ánodo viajan a través de un circuito externo hacia el cátodo, creando así una corriente eléctrica.
La diferencia de potencial eléctrico entre el ánodo y el cátodo, conocida como el potencial de celda ($E_{celda}$), es lo que impulsa el flujo de electrones. Este potencial depende de la naturaleza de las sustancias químicas involucradas y de sus tendencias relativas a ceder o aceptar electrones. Las reacciones de oxidación y reducción se pueden expresar de la siguiente manera:
En el ánodo (oxidación):
$$Reducido \rightarrow Oxidado + ne^-$$En el cátodo (reducción):
$$Oxidado + ne^- \rightarrow Reducido$$Donde $n$ representa el número de electrones transferidos y $e^-$ son los electrones. La reacción global de la célula se obtiene sumando estas dos semirreacciones, asegurando que el número de electrones sea el mismo en ambos lados. Si la reacción global es espontánea, la célula electroquímica genera electricidad (una celda galvánica o voltaica). Si la reacción no es espontánea, se requiere un suministro externo de energía eléctrica para forzar la reacción (una celda electrolítica).
El puente salino o la membrana porosa es crucial porque permite el paso de iones entre las dos semipilas para mantener la neutralidad eléctrica. Sin él, las cargas se acumularían en cada compartimento,
deteniendo el flujo de electrones y, por lo tanto, la reacción electroquímica. Los iones del puente salino migran para contrarrestar la acumulación de carga positiva en el compartimento del cátodo (donde se consumen electrones y se reduce una especie) y la acumulación de carga negativa en el compartimento del ánodo (donde se liberan electrones y se oxida una especie).
En resumen, una célula electroquímica es un dispositivo que convierte energía química en energía eléctrica o viceversa mediante reacciones redox. La clave de su funcionamiento radica en la diferencia de potencial electroquímico entre dos electrodos, facilitando el intercambio de electrones a través de un circuito externo y el movimiento de iones a través de un electrolito para mantener el equilibrio de carga.
