¿Cómo una solución de cloruro de sodio conduce electricidad?
Sé que el cloruro de sodio se disocia en iones de sodio y cloruro en agua, por lo que cuando se aplica un voltaje, esos iones pueden moverse. Sin embargo, si tengo dos polos de metal colocados en un recipiente y aplico un voltaje entre ellos, la corriente que fluye en el metal está formada por electrones, mientras que la corriente que fluye en el agua está formada por iones. ¿Cómo puede uno convertirse en el otro?
Los iones de sodio y cloruro se separan en agua, convirtiendo el NaCl sólido en iones Na+ y Cl- que pueden moverse libremente a través de la solución. Los electrones son una forma de portadores de carga comunes, teniendo una carga neta negativa y siendo móviles dentro de los metales, pero los iones libres moviéndose alrededor en una solución también constituyen una corriente.
EDICIÓN en respuesta al comentario: Cuando se colocan dos postes de metal en una solución (un ánodo negativo y un cátodo positivo) y se enciende una batería, se está creando una diferencia de voltaje entre los dos postes. Como sabrás de los circuitos, las diferencias de voltaje son las que impulsan las corrientes, pero la forma en que se hace esto es lo que diferencia a los electrones conduciendo corriente a través de un cable y la solución acuosa salina iónica. Voy a separar este proceso en pasos numerados, ya que me enredé mucho cuando estaba tratando de pensar en todos los mecanismos a la vez.
Paso 1. La batería se enciende y crea una diferencia de voltaje en los electrodos. En este punto, nada está conduciendo y no hay corriente fluyendo.
Esta es una parte complicada de la que agradecería una respuesta si alguien más conocedor está leyendo esto, pero creo que es correcto.
Los electrones se acumularán en el ánodo, dándole a esa barra una carga neta negativa y a la otra barra una carga neta positiva.
Paso 2. Esta diferencia de voltaje (y posible acumulación de carga excesiva) establece un campo eléctrico en la solución. Esto atrae a los iones Na+ positivos hacia el ánodo negativo, ya que el cátodo positivo atrae a los iones Cl- negativos. A continuación, se muestra una imagen que encontré en un PDF titulado 'Conducción Eléctrica en Soluciones' que ilustra esto muy bien.
Aquí es donde la imagen se vuelve complicada. La simple atracción de iones no es suficiente para mantener una corriente a través de una solución; si nada más estuviera ocurriendo en la solución besides de que el Na+ va para el ánodo y el Cl- va al cátodo, una vez que todos los iones llegaran a sus respectivos electrodos, nada más en la solución se movería.
Así que algo extraño está ocurriendo en la "simple" batería de agua salada. La química ingenua nos dice que esta es la reacción que ocurre cuando el sal es disuelto en agua:
NaCl(s) + H2O(l) → Na+(aq) + Cl-(aq) + H2O(l)
Una pista sobre lo que está ocurriendo viene del sector inesperado de producción de cloro. La mayoría del cloro utilizado en el mundo se produce utilizando el siguiente proceso industrial de purificación de agua salada:
2 NaCl(s) + 2 H2O(l) → Cl2(g) + H2(g) + 2 NaOH(aq)
Quizás te hayas dado cuenta de esto tú mismo cuando uno realmente configura una batería de agua salada: las burbujas de gas se acumulan en ambos electrodos y nada precipita.
Paso 3. Puede que sepas que la electrólisis es el proceso por el cual una corriente se utiliza para impulsar una reacción química no espontánea. Las reacciones no espontáneas que impulsa la batería son las llamadas reacciones 'redox', donde las especies químicas pierden o ganan electrones.
En este caso, la acumulación negativa de electrones en el ánodo proporciona los electrones adicionales necesarios para descomponer el H2O en OH- y H+:
Ánodo (reducción): 2 H2O(l) + 2e- → H2(g) + 2 OH-(aq)
Estos iones hidroxilo se producen continuamente cerca del ánodo y el gas de hidrógeno se desprenden, por lo que dos de las tres especies de la ecuación bruta están contabilizadas.
Paso 4a. Alrededor del ánodo, ahora tenemos una concentración de iones negativos (OH-) cerca de un electrodo negativo. Estos iones negativos están sujetos al campo eléctrico en la solución y son repelidos por el ánodo y atraídos por el cátodo, haciendo que los OH- migren hacia el cátodo.
En agua pura, esta sería la imagen completa. El agua recogería un electrón en el ánodo, se descompondría en hidróxido, el cual migraría al cátodo, recogería un electrón y volvería a convertirse en H2O y los electrones serían transportados a través de la solución. Sin embargo, la razón por la que solo el agua pura es un mal conductor es que la difusión de OH- a través de la brecha del electrodo es muy lenta y hace que la conducción sea débil. Por ello, necesitamos añadir una fuente de iones, como NaCl, para lograr una buena conducción.
Paso 4b. Cuando se añade NaCl al agua, son los iones Cl- los que realmente llegan al cátodo y reaccionan para depositar sus electrones:
Cátodo (oxidación): 2 Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e-
Esto explica la última especie que nos faltaba y también completa el ciclo. El agua recoge electrones en el ánodo y los átomos de OH- los transportan al cátodo. Al mismo tiempo, los iones Cl- que se disociaron en el agua se mueven hacia el cátodo y depositan electrones para convertirse en gas. Así, el movimiento neto de los electrones del ánodo al cátodo está completo y una corriente puede fluir.
Espero que esto esté bastante claro después de mi edición. Además, soy estudiante de física, no de química, por lo que agradezco a cualquiera que señale errores o sutilezas que falten en mi explicación.
¿Cómo pueden los iones hacer que los electrones en los polos metálicos se muevan hacia adelante? ¿No se agotarán los electrones en los polos? ¡Pensé que la electricidad a través del metal es el flujo de electrones, verdad?
@user209347 Oh, entiendo. Mis disculpas, malinterpreté la última parte de tu pregunta. Esta es realmente una pregunta interesante y admitiré que tuve que investigar un poco para responderla. Lo agregaré como una edición a mi respuesta original.
¡Respuesta interesante! Nunca pensé que fuera tan complicado detrás de escenas de mi libro de química de la escuela secundaria. Pero tu punto es que el gas de cloro es predominantemente responsable de que los electrones se muevan hacia el polo positivo de la batería. Entonces, ¿si solo pongo un polo conectado al cátodo de la batería en una solución salina, debería fluir corriente sin siquiera poner dos polos en la solución, verdad?
Sabes que las sales (un producto ácido-base, a diferencia de los metales) se disocian en iones cuando se disuelven en solución. ¿Verdad? Bueno, tenemos la conocida teoría de Arrhenius para eso. Tomemos tu ejemplo: $\text {NaCl}$. La solución acuosa de esta sal da $\text {Na}^+$ y $\text {Cl}^-$ en la solución.
Cuando aplicas un campo eléctrico externo (electrólisis), obtenemos corriente. La corriente es simplemente un efecto de la colisión de portadores de carga (supongamos que son electrones en caso de metales, e iones en caso de soluciones). El campo eléctrico aplicado ejerce una fuerza sobre las cargas, haciéndolas moverse hacia los polos atractivos (electrodos). Los iones sufren más o menos la misma velocidad de deriva $v_d$ en la solución que los electrones en el metal. Esto se observa como corriente.
Este caso es ligeramente similar al de un semiconductor (electrones libres y huecos son los portadores de carga). La dirección de la corriente es la misma para cationes, y opuesta en el caso de aniones.
El principio general sigue siendo el mismo (Creo que estoy repitiendo la misma frase) La corriente es un efecto del movimiento y colisión de portadores de carga. No puedo entender por qué causa tanta dificultad. Los electrones libres son los portadores de carga en metales, mientras que los iones son los portadores de carga en soluciones. Punto final.
Por supuesto, los metales no aceptarán que los iones pasen a través de ellos. Pero, los iones transfieren sus cargas (son solo portadores de carga y por lo tanto, pueden hacer tales cosas) con la ayuda de electrones. Por ejemplo, $\text {Na}^+$ toma un electrón del cátodo y este electrón se transfiere a los iones de $\text {Na}^+$ cercanos. De esta manera, se observa una corriente neta. Y para $\text {Cl}^-$, es al revés (en dirección opuesta).
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