Celdas galvánicas o voltáicas
Summary
TLDRThis educational video script delves into the history and function of galvanic or voltaic cells, honoring Luigi Galvani and Alessandro Volta's contributions. It explains the discovery of electricity in dead animals, leading to the concept of 'animal electricity.' The script further clarifies Volta's invention of the voltaic pile, demonstrating electricity generation without animals through copper and zinc discs and a saltwater-soaked cloth. It explores the debate between metal contact and chemical reactions in current production, concluding with the establishment of a direct relationship between chemical reactions and battery current. The script introduces a didactic model from the 1970s to analyze the chemical processes within a battery, highlighting oxidation and reduction reactions, and the use of a salt bridge to maintain charge neutrality, ultimately explaining how these foundational concepts lead to the batteries we use today.
Takeaways
- 😀 Galvanic or voltaic cells are named in honor of Luigi Galvani and Alessandro Volta for their contributions to the understanding of electricity and electric current.
- 🔬 Galvani's discovery of electric current generation when touching a dead frog's legs with copper and zinc rods led to the theory of 'animal electricity', which he believed originated in the brain.
- 🔋 Volta's famous 'Voltaic Pile' demonstrated that electric current could be produced without animals, using alternating discs of copper and zinc with a saltwater-soaked cloth, revolutionizing the field of electricity production.
- 🤔 The debate between whether metal contact alone or a chemical reaction was necessary for current production was eventually resolved by showing a direct relationship between chemical reactions and the current obtained in a battery.
- 👨🔬 The 1970s educational model of a galvanic cell, also known as the 'Daniell cell', was created to teach chemical processes within a cell, despite having no practical application.
- 🔑 A galvanic cell requires a chemical reaction involving the transfer of electrons, which are harnessed to produce electrical energy.
- 🌐 The oxidation and reduction reactions in a cell are separated, with oxidation occurring at the anode and reduction at the cathode, facilitated by a salt bridge to maintain charge neutrality.
- 🚫 Electrons flow from the anode to the cathode, opposite to the conventional current direction, which moves towards the area of positive charge accumulation.
- 🔍 The salt bridge, filled with an inert solution, allows for the movement of ions to balance charges and enable electron flow, which is essential for the cell's operation.
- 📝 The shorthand notation for writing galvanic cells includes the states of the materials involved, such as solid, aqueous, and the salt bridge, providing a simplified representation of the cell's components.
- 🔄 Volta's original cell, consisting of copper and zinc discs separated by saltwater-soaked cloths, can be adapted to fit the anode-cathode-salt bridge model, illustrating the foundational principles of all batteries.
Q & A
Who are Luigi Galvani and Alessandro Volta, and why are galvanic or voltaic cells named after them?
-Luigi Galvani and Alessandro Volta are scientists from the late 18th century. Galvani discovered that a dead frog's legs would twitch when touched with copper and zinc probes, leading to the theory of 'animal electricity'. Volta later demonstrated that this effect did not require an animal and invented the voltaic pile, a precursor to modern batteries, which generated electricity through the contact of different metals without any animal involvement.
Outlines
🔬 Historical Background of Galvanic Cells
This paragraph introduces the historical context of galvanic cells, named after Luigi Galvani and Alessandro Volta, who made significant contributions to the understanding of electricity in the 18th century. Galvani's accidental discovery of bioelectricity in dead frogs' legs with copper and zinc electrodes led to the theory of 'animal electricity.' However, Volta later demonstrated that electricity could be generated without animals through his invention, the Voltaic Pile, which stacked copper and zinc discs with a saltwater-soaked cloth in between, creating an electric current. This marked a revolution in electricity production and led to the understanding that a current is produced through the contact of different metals, possibly involving chemical reactions.
🔋 Understanding the Chemical Reactions in Galvanic Cells
The second paragraph delves into the chemical reactions that occur within a galvanic cell. It emphasizes the importance of identifying oxidation and reduction reactions, assigning oxidation states, and balancing the charge in these reactions. The example given involves copper and silver ions, where copper metal oxidizes to copper ions in solution, and silver ions are reduced to silver metal. The process of electron exchange is crucial for generating electrical energy, and the paragraph explains how to write half-reactions for both oxidation and reduction, ensuring charge balance across the reactions.
🚀 The Role of Electrons and Ions in Cell Function
This paragraph explains how electrons and ions move within a galvanic cell to generate electricity. It describes the setup of a laboratory experiment where copper wire is placed in a silver nitrate solution, leading to the growth of silver crystals on the copper wire and the solution turning blue due to the formation of copper ions. The paragraph highlights the importance of maintaining charge neutrality in the solution and how the flow of electrons and ions is facilitated by the cell's components, including the use of a salt bridge to balance charges and allow electron flow.
🔍 Components and Function of a Galvanic Cell
The final paragraph focuses on the components of a galvanic cell, including the anode (where oxidation occurs) and the cathode (where reduction occurs), as well as the salt bridge or electrolyte that connects them. It explains the direction of current flow, which is opposite to the flow of electrons, and introduces the concept of writing galvanic cell reactions in a simplified, abbreviated form. The paragraph also touches on the educational value of the model presented, noting that while it is didactic and not practical for real-world applications, it serves as a fundamental understanding of how batteries work and the relationship between chemical reactions and electricity production.
Mindmap
Keywords
💡Galvanic Cells
💡Luigi Galvani
💡Alessandro Volta
💡Voltaic Pile
💡Oxidation-Reduction Reactions
💡Electrochemical Cells
💡Daniell Cell
💡Salt Bridge
💡Anode
💡Cathode
Highlights
Introduction to galvanic or voltaic cells, named in honor of Luigi Galvani and Alessandro Volta.
Historical context of electricity and electrical current discoveries in the late 18th century.
Galvani's discovery of electricity in dead animals using copper and zinc, leading to the theory of 'animal electricity'.
Volta's demonstration that electricity could be produced without animals, through his famous Volta's pile.
The development of the concept that two different metals in contact are needed to produce an electric current.
Debate over whether the contact of metals alone or a chemical reaction was responsible for current production.
1830 discovery by Michael Faraday that chemical reactions are directly related to the current obtained in a battery.
Introduction of the educational model created in the 1970s to analyze chemical processes within a cell.
Explanation of the need for a chemical reaction involving electron transfer for a galvanic cell to function.
Identification of oxidation and reduction states in the chemical reaction within the cell.
The process of writing the half-reactions for oxidation and reduction in a galvanic cell.
Balancing the charge in the reactions to ensure electron transfer for energy production.
Laboratory demonstration of copper and silver ion reaction, illustrating the growth of silver crystals on copper wire.
The importance of the electrolyte bridge (salt bridge) in maintaining charge neutrality in a cell.
How to separate reduction and oxidation reactions in a galvanic cell setup for practical energy use.
Terminology clarification: anode as the site of oxidation and cathode as the site of reduction.
Direction of electric current in relation to electron flow in a cell.
Simplified notation for writing galvanic cells, including the components and interfaces.
Adapting the basic model to represent different types of cells, such as Volta's original pile.
The educational purpose of the model and its lack of practical application for powering devices.
Transcripts
hola cómo están bienvenidos a una nueva
misión de kim ya ayudas en el día dos
vamos a hablar sobre cómo funcionan las
celdas galvánicas o voltaicas entonces
vamos a comenzar
[Música]
antes de comenzar es importante que
veamos un poquitico historia para
entender de qué estamos hablando las
celdas galvánicas o ciertas voltaicas
son llamadas así en honor a luigi
galvani y alessandro vuelta pero que fue
eso tan importante que estos dos
personajes hicieron bueno para finales
del siglo 18 ya se conocían muchísimos
aspectos acerca de la electricidad y la
corriente eléctrica pero también
faltaban muchísimas cosas por descubrir
en ese momento luigi galván y gracias a
su esposa descubrió que cuando uno
tocaba a un animal muerto
específicamente las piernas de una rana
muerta con pinzas de cobre y de zinc se
generaba una corriente y la pierna
lograba flexionarse por sí misma lo que
este descubrimiento produjo fue una
teoría de que pues había electricidad
dentro de los animales y que esta
electricidad venía a su cerebro y les
permitía controlar sus músculos sin
embargo también le dio a galván y ha
pensado que si queríamos utilizar esa
electricidad necesitábamos dos mentales
diferentes y un animal
incluso a esa corriente que venía de los
animales en la llamo electricidad animal
eso fue lo que él en ese momento pensó
mucha gente siguió investigando pero
unos años después a lisandro vuelta vino
a demostrar que esto no era así esto lo
hizo a través de su mundialmente famosa
pila de vuelta o columna de vuelta que
es un dispositivo en el que tomamos
discos de cobre y de zinc
los ponemos uno sobre el otro con un
paño humedecido con agua salada en la
mitad y con cables en cada extremo de
los discos esto genera una corriente
eléctrica que no necesita ningún animal
para ser producida en este momento pues
se revolucionó este campo de la
producción de electricidad y alessandra
vuelta a lo que ahora pensó es que lo
que se necesitaba era el contacto entre
dos metales distintos para producir
corriente la gente empezó a desarrollar
sus propias pilas y poco a poco empezó a
suscitarse un dilema no se sabía si
realmente sólo era necesario el contacto
de los metales
o si en medio había algo más químico si
realmente había una reacción química y
si cuando la gente desarrollaba sus
propias filas notaba que los metales que
se estaban tocando también cambiaban
algunos se oxidaban a dios la iglesia
son las cinco de la tarde entonces que
bryce en sus países
cuente micrones el caso es que las
personas empezaron a notar que era
importante lo que ponías en medio de los
dos mentales que estaban haciendo
contacto así que nos decía que
simplemente se necesitaban contacto para
producir corriente y otros decían que
había algo más que había una reacción
química ahí interviniendo para producir
la corriente en esa materia unos años
más tarde ya en 1830 para darte mostró
que efectivamente era así en una batería
cuando tenemos una cantidad de corriente
es porque existe una cantidad de una
sustancia o metal que se está
transformando en otra sustancia y a
partir de ese momento quedó establecido
que existe una relación directa entre
reacciones químicas y la corriente
obtenida en una batería luego de
muchísimos avances y casi 200 años de
investigación hemos llegado a las pilas
que todos conocemos a las baterías que
son familiares para todos nosotros
pero la idea es poder analizar qué está
pasando dentro de estas pilas y por eso
en los años 70 se creó este modelo que
seguro decir que ustedes han visto en
todos los libros este modelo nos va a
permitir analizar qué está pasando
dentro de una pila a nivel químico es un
modelo que es netamente didáctico se
creó únicamente para enseñar no tiene
ninguna aplicación práctica eso es muy
importante que lo tengamos en cuenta
pero si nos va a permitir observar
ciertas cosas por cierto a ese modelo
también se le llama pila de dañe pero
esto no es así esta no es una pila de
años la pila de alguien realmente era
esta y fue muy famosa en el siglo 18
porque a diferencia de la pilar que
desarrolló vuelta daba una cantidad de
corriente constante y muy alta y cuales
sirvió a muchísima gente para hacer
muchas investigaciones para entender
cómo funciona este modelo de 7 galvánica
o él está dedicar lo primero que
necesitamos es una reacción química y no
cualquier reacción química necesitamos
una
y porque reduce pues porque como ustedes
recordarán en estas reacciones a
intercambio de electrones entre las
especies que están participando en la
reacción y son ni esos electrones los
que vamos a tomar para obtener energía
eléctrica y hacer funcionar cualquier
dispositivo lo primero que necesitamos
identificar es que estás en una reacción
enredos y para eso vamos a asignar los
estados de oxidación lo que tenemos aquí
es que este que es el cobre cero está
cambiando su estado oxidación a cobre
más 2 y está que la trata más uno está
cambiando a plata 0 vamos a hacer esta
ecuación no hay necesidad de que
apliquemos el momento de 2 es muy simple
con tanteo y basta con que pongamos aquí
un 2 y aquí también 12 ahí ya que da
valencia da pero vamos a extraer esas
especies que están cambiando su estado
oxidación y vamos a escribir la reacción
en términos de esas especies y ahora la
cosa es un poquito más sencilla analizar
aquí al cobre que está cambiando y a la
plata que está también cambiando como
ustedes recordarán este está cambiando
de 0 a 2
nuestra opción se está volviendo más
positivo quiere decir que están
perdiendo electrones es decir se está
oxidando vamos a escribir esa semi
reacción de oxidación
el cobre cero o sea cobre del estado
metálico está pasando a hacer un guión
cobre que está un estado acuoso con el
estado de solución
ahora vamos a poner el proceso de la
plata en este caso está pasando de más
uno a plata cero es decir su estado
situación se está reduciendo esta
especie está sufriendo un proceso de
reducción en esta reacción los iones
plata que están en estado acoso se están
convirtiendo en plata en estado metálico
es la oxidación
y esta es la reducción
pero bueno como ustedes recordarán
cuando yo escribo este tipo de
reacciones o se mis reacciones también
debo tener un balance de carga la carga
debe ser la misma a los dos lados en el
caso del cobre tenemos aquí una carga de
cero y aquí una carga de más dos si
ustedes recuerdan en estos procesos hay
involucrados electrones ellos son los
únicos portadores de carga que nos van a
servir para balancear la carga a ambos
lados en este caso tenemos 0 + 2 por lo
tanto podemos poner 2 electrones que son
negativos
que más dos cargas positivas nos van a
dar un total de cero en la carga de este
lado que es exactamente igual a la carga
de este lado en el caso de la plata
necesitamos también balancear la carga a
ambos lados por lo tanto como tenemos
dos cargas positivas aquí también
podemos poner dos electrones a este lado
para balancear la carga total de esta
reacción de esta manera ya tenemos todo
nuestro proceso en términos de las
especies que están sufriendo cambios y
cómo están intercambiando se los
electrones como ustedes pueden ver el
cobre está liberando electrones y esos
electrones están llegando a la plata
este va a ser el proceso que nos va a
servir para nuestra pila si quisiéramos
llevar a cabo ese proceso en la realidad
en el laboratorio se vería más o menos
como este vídeo que ustedes están viendo
tendríamos un alambre de cobre que
representa al cobre con esta donación
cero lo introducimos en una solución que
tiene nitrato de plata disuelto va a ser
nuestra fuente de iones plata +1 y a
medida que el proceso va
lo que vemos es que la solución empieza
a tornarse azul y en la superficie de
nuestro alambre de cobre empiezan a
crecer unas cristales o unas agujas de
plata que por ciento se ven muy bonitas
y al final vamos a tener una solución
azul muy intensa y también una capa de
plata muy grande que está pasando en ese
frasco bueno lo vamos a analizar con
esta representación artística fiera el
vídeo que estaban viendo bueno sí ya sé
que es un nuevo muy mal término siempre
para analizar qué está pasando
tenemos iones nitrato iones plata la
solución y tenemos nuestro alambre de
cobre que representa la plata a cero y
se está reproduciendo exactamente lo que
analizamos anteriormente el cobre que
está en esta opción acción cero va a
pasar a ser cobre en positivo y la plata
que está en estado de ion y ohl +1 va a
convertirse en plata cero pero para
poder hacer eso los iones plata van a
viajar hasta la superficie del cobre y
es ahí en donde el cobre les va a dar
sus electrones para que se reduzcan por
eso es que cada vez
va creciendo la capa esta no lo hace en
los alrededores sino lo hace sobre la
superficie del cobre como pueden notar
cada vez que dos sillones platas son
convertidos en plata cero unión va a
liberarse la solución es por eso que a
medida que va avanzando la reacción que
la capa de plata va creciendo la
solución se va poniendo más azul porque
precisamente es el cobre 2 más el que le
proporciona este color otra cosa
importante que quiero que noten es que
cada vez que se pierden estos dos átomos
de plata o estos dos guiones de plata la
solución está perdiendo dos cargas
positivas pero esas dos cargas positivas
son sustituidas por estas dos cargas
positivas contenidas en este guión de
cobre como ustedes pueden notar la
concentración de iones nitrato nunca va
a variar
ellos están ahí todo el tiempo y están
manteniendo la neutralidad de esta
solución
lo que vemos es que hay un flujo de
iones que están moviéndose todo el
tiempo gracias hasta el proceso de
reducción y de oxidación dentro de la
solución también cómo está el proceso
así no nos sirve para nada no podemos
aprovechar esos electrones porque como
lo acabamos de ver la plata va
directamente a la superficie del cobre y
por lo tanto los electrones no están
fluyendo hacia ningún lado tenemos que
encontrar una manera para aprovecharnos
de esos electrones hay muchas maneras
pero precisamente el modelo que quiero
explicar hoy de 60 galvánica es el que
nos va a servir para aprovechar esos
electrones como energía eléctrica vamos
a separar las dos reacciones la de
reducción y la de oxidación con este
montaje que tenemos aquí cada una la
vamos a poner en vasos separados aquí a
la izquierda vamos a poner a la
oxidación y a la derecha vamos a poner a
la reducción ahora necesitamos
aprovechar los electrones que vamos a
hacer pues conectar estas dos plantas
listo a nuestros electores ya puede
influir de este lado a este lado el
problema es que tal y como está
construida la pila no lo van a poder
hacer y las razones por lo que está
sucediendo en cada frasco en este frasco
tal y como no lo dice la reacción el
cobre cero es decir el cobre contenido
en esta placa va a pasar a cobre dos más
lo que va a producir es que cada nuevo
ion de cobre va a hacer que la solución
que está a este lado se torne más
positiva porque pues porque los nitratos
no están cambiando no hay ninguna fuente
extra de carga nervios en el lado de la
plata va a pasar lo opuesto los iones
plata que están en la solución van a
convertirse desde plata positiva a plata
cero es decir van a empezar a acumularse
en la placa metálica que tenemos aquí lo
que va a producir es que estén
desapareciendo las cargas positivas y de
nuevo los nitratos están siendo
constantes las cargas negativas están
siendo constantes por lo tanto este
frasco se va a poner negativo cada vez
más esto va a hacer que lo se
no puedan cruzar desde este lado a este
lado porque en la naturaleza los
procesos que están favorecidos son
aquellos que llevan a la neutralidad de
carga por lo tanto necesitamos
solucionar este fenómeno necesitamos
darle una fuente extra de iones a estas
dos soluciones que solucione esta
disparidad en las cargas hay un montón
de maneras de solucionar este problema
de la neutralidad de las cargas pero la
persona que diseñó de este modelo se le
ocurrió que podía hacerlo a través de
esto que tenemos aquí eso es un tubo de
vídeo que tiene los extremos tapados con
una membrana por rosado con algodón por
ejemplo y el cual está lleno con una
solución de una sal en este caso tenemos
cloruro de potasio k cl pero puede ser
cualquier sal que sea inerte a estas dos
placas que no contenga ningún ión que
interfiera con estas reacciones lo que
va a hacer este tubo que tenemos aquí y
al cual llaman puente salino este es el
famoso puente salino es solucionarnos el
problema que teníamos antes cuando aquí
se producen guiones positivos
de cobre dos más y la carga positiva
aumenta este lado lo que va a suceder es
que los iones negativos aquí cloruro que
están contenidos en el buen salino van a
migrar a la solución y nos van a
solucionar oa reestablecer la
neutralidad en la solución lo mismo pasa
al otro lado cuando aquí están
desapareciendo los iones plata aquí los
guiones potasio van a migrar para
solucionarlos de nuevo la neutralidad y
la consecuencia es que ahora sí nuestros
electrones van a poder fluir desde esta
placa a esta placa y los iones también
van a estar fluyendo los negativos hasta
este lado y los positivos hacia este
lado final tenemos por fin una pila que
es funcional no para muchos casos porque
como les mencioné esto es meramente
didáctico al mucho ahora para encender
un bombillo o algo así sin embargo esta
es la base de la mayoría de las pilas
todo este montaje tiene una apariencia
en la realidad de hecho en un
laboratorio más o menos como lo pueden
ver en esta imagen ahora en los libros
generalmente
una vez que este modelo tiene ciertas
partes que muchos profesores piden
dibujar no sé por qué pero se las voy a
recordar a este lado que diciéndoles
está produciendo la oxidación lo vamos a
llamar el ánodo y es de donde
precisamente es años electrones para el
otro lado que se va a llamar el cátodo y
está a la derecha y es donde se está
produciendo la reducción para que se
acuerde fue memorizado algo que es muy
sencillo y nos puede recordar y es que a
este lado están todas las vocales si
ustedes van dando
y a este lado están todas las
consonantes
es una buena manera de memorizar otra
cosa que podemos analizar es hacia dónde
va la corriente en esta pila recuerden y
eso es un poco más de física que la
corriente siempre va contraria a los
electrones los electrones están fluyendo
hacia allá quiere decir que la corriente
está fluyendo hacia este lado
es decir la corriente irá hacia dónde
está influyendo las cargas positivas en
este lado y de entrada la solución es lo
hará hacia este lado bien finalmente
existe una manera reducida de escribir
todo este montaje que tenemos aquí y que
sí que es muy útil para cualquier pila
porque no necesariamente pertenece a
este modelo y es la escritura abreviada
de celdas galvánicas lo que vamos a
hacer es que vamos a escribir todas las
especies que están participando o que
más bien están sufriendo la reacción de
reducción y oxidación vamos a empezar
primero con el cobre cero
vamos a poner el estado en el que está
decir sólido vamos a poner una línea que
lo que indica es que vamos a cambiar de
interfaz y salimos de la superficie del
cobre y ahora seguimos a la solución en
la solución tenemos presiones pero lo
único que está sufriendo un cambio esta
asociación es este y aunque está aquí
que decir cobre dos más lo vamos a
escribir
y escribimos que él está en estado
acuoso o disolución vamos a seguir hacia
allá y lo que tenemos aquí es lo que se
llama el puente salino que lo vamos a
representar con dos líneas y ahora vamos
a pasar al otro lado
aquí tenemos en esta solución a los
iones plata a los nitratos en los
potasio pero lógico está sufriendo
reducción es la plata es lo vamos a
escribir que será la plata positiva que
está en estado acuoso
vamos a pasar a una nueva superficie que
es la de la plata por eso ponemos esta
raya y ponemos a la plata en esta 12
acción 0 que está en forma sólida esta
que tenemos aquí es la forma abreviada
de toda esta celda galvánica voltaica o
una pila si la quieren basar en este
modelo hay algo muy importante y es que
el modelo que les acabo de presentar
como lo mencioné no es el único existen
un montón de modelos que ustedes pueden
adaptar para representar el proceso que
está pasando en una pila pero este
modelo nos ayuda a entender que existen
partes básicas siempre en la fabricación
de una piel siempre va a haber un ánodo
que es donde se lleva a cabo la
oxidación un cátodo que es donde se
lleva a cabo la reducción y un
intermedio a lo que vamos a llevar un
puente salino o también muchos los
llaman un electrolito estas partes
incluso las podemos adaptar a la pila
inicial de vuelta
y la de vuelta a lo que él tenía era
discos de cobre y de zinc que estaban
separados por paños humedecidos con agua
salada si adaptamos el modelo de cátodo
ánodo y puente salino lo que vemos es
que el cobre actuaba como el cátodo
porque es donde ahora se lleva a cabo la
reducción contra lo que hemos visto para
la otra piedra y en el caso del zinc él
era el que actúa como ánodo porque era
donde se llevaba a cabo la oxidación y
para los paños húmedos con sal lo que
tenemos es que actúan como nuestro
puente salino o como nuestro electrolito
bien este vídeo lo he hecho porque
muchos de ustedes sé que tienen
problemas cuando están introduciéndose a
esto de la electroquímica ya sea en un
alto nivel o en un nivel un poco más
básico pero siempre esto es el inicio y
puede generar muchos problemas de
repente por lo abstracto que es y porque
no se le ve una relación directa con lo
que pueden llegar a ser las aplicaciones
de la electroquímica
me sale un poco más largo de lo que lo
quería pero espero que les haya ayudado
espero que sea una muy buena
introducción si les sirvió y compartan
lo con sus amigos con sus profesores
para que el conocimiento se difunda por
todos lados
muchas gracias por ver el vídeo y hasta
la próxima
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