Un nuevo enfoque didctico para acercar la Electroqumica al

alumnado a travs de experiencias cotidianas

R.M. Arn-Ais, C. Bus-Rogero, S. Chumillas, V.Climent, E. Herrero,

A. Aldaz, J.M. Feliu

Instituto Universitario de Electroqumica

Universidad de Alicante

RESUMEN

La electroqumica es una parte importante de la qumica, incluida en la mayora de los temarios de

diversas ciencias experimentales. Las reacciones qumicas con transferencia de electrones aparecen en

numerosas situaciones de la vida cotidiana y constituyen un aspecto muy importante en las reacciones

biolgicas. A pesar de su importancia, la electroqumica suele ser percibida por los estudiantes con

dificultad pues incluye conceptos algo abstractos, como el de potencial elctrico, que combinados con los

propios conceptos de qumica, tienden a desconcertar al alumno. El objetivo del presente trabajo de

investigacin docente es la elaboracin de un portafolio de ejemplos en los que aparece la electroqumica

en el mbito cotidiano. El uso de bateras y acumuladores es ampliamente conocido. Sin embargo, es

menos conocido el papel de la electroqumica en sntesis de gran importancia industrial como la del cloro,

el aluminio o el nylon. La electroqumica aparece tambin entre los principios de funcionamiento de

diversos biosensores, como los sistemas de control de alcoholemia o glucosa en sangre. Los ejemplos

seleccionados servirn para introducir diversos aspectos de la electroqumica, pretendiendo despertar el

inters por esta parte de la ciencia.

Palabras Clave: Electroqumica, Portafolio de Ejemplos, Bateras, Biosensores, Electrosntesis

1. INTRODUCCIN

Simplicio saba que tena que madrugar al da siguiente. Sola viajar mucho, as

que no era normal el desasosiego que le causaba este nuevo viaje. Era como si tuviera el

presentimiento de que algo inesperado le iba a pasar. Necesitaba levantarse muy

temprano si no quera perder el avin que le llevara a su siguiente reunin de negocios.

Antes de acostarse, repas mentalmente si estaba todo listo. Como buen usuario de la

tecnologa actual, llevaba en su mvil el cdigo de acceso para pasar a la sala de

embarque sin realizar la consabida cola en facturacin. Puso en marcha la alarma de su

telfono mvil a una hora prudencial, seis de la maana, para coger el avin sin

problemas y se abandon en los brazos de Morfeo.

Durante esa noche la Electroqumica desapareci de la faz de la Tierra!

Simplicio, obviamente, no se dio cuenta, ya que estaba en el mejor de los

mundos. Sin embargo, a las siete se despert bruscamente, con el presentimiento de que

algo iba mal. La alarma no haba sonado! Lgico, la desaparicin de la Electroqumica

elimina cualquier forma de pila del mundo de los vivos y, por tanto, su mvil no

funcionaba. Maldicindolo, Simplicio se apresur como un loco al bao y comenz a

afeitarse. Qu pasa?, Aparte de que la batera de la mquina de afeitar ya no funciona,

ni siquiera enchufndola lograba afeitarse, pues sus cuchillas y cabezales haban

desaparecido. Lgico tambin!; su fabricacin se hace por mtodos electroqumicos,

por un proceso llamado electromecanizado. Rpidamente busc una cuchilla manual,

pero las cuchillas no tenan filo. Nuevamente lgico, las cuchillas actuales se fabrican

por el mismo mtodo anterior.

No importa-exclam- ir sin afeitar! Y nuestro Simplicio se lanz escaleras

abajo en busca de un taxi para ir al aeropuerto. Las calles estaban silenciosas y no haba

ningn trfico, o ms bien, solamente circulaban coches muy antiguos. Evidentemente,

la desaparicin de la Electroqumica elimin las bateras de arranque de los coches y los

coches modernos no poseen la posibilidad de arrancarlos con una manivela. A ver

quin es el guapo que es capaz de mover los cilindros de un coche actual con la

compresin que tienen! Afortunadamente para l, logr que el conductor de un coche

antiguo, que sabiamente haba puenteado los conectores del coche a la bobina, se apiade

de su situacin y lo lleve al aeropuerto.

A todo correr lleg al mostrador de facturacin donde la persona encargada le

comunic amablemente que exista un retraso por problemas de interconexin ya que,

extraamente, las bateras no funcionaban. Adems, el precio del billete se haba

multiplicado por un factor muy elevado, por causas obviamente ajenas a la voluntad de

la empresa, y deba pagar un suplemento. Pasmado por el hecho, pregunt la razn y se

le inform de que el coste de amortizacin del avin se haba disparado, ya que as lo

haba hecho el precio del aluminio. Ya no era posible sintetizarlo por electrolisis, como

se logr a finales del siglo XIX. Antes de esta sntesis, el aluminio era un metal tan caro

como el oro y prueba de ello era que la cubertera de algunos nobles era de aluminio y

que, como regalo de extraordinario valor, el obelisco de Washington est rematado por

una pirmide de aluminio! Sin la electroqumica, la sntesis del aluminio debe

realizarse por otros medios y ahora el aluminio empleado para la construccin del avin

provena de una sntesis qumica.

No importa, -exclam Simplicio- necesito viajar! Y pag el correspondiente

recargo. Lleg corriendo al mostrador de salida, pero all le informaron de que el vuelo

se haba anulado. Preguntada la razn, la contestacin fue que las turbinas de los

motores de aviacin, para evitar el estrs mecnico, se fabricaban tambin por

electromecanizado, pero las que en aquel momento montaban el avin, se haban

convertido milagrosamente en turbinas fabricadas por mtodos diferentes que causaban

estrs en la pieza y que por tanto, antes de dar el visto bueno para el vuelo, deban

desmontarlas y comprobar su funcionamiento. Agobiado por la situacin, decidi entrar

al bao a refrescarse y beber un poco de agua. Nada ms entrar le sorprendi un olor

muy desagradable, como si estuviera muy sucio. Abri el grifo y ech un trago de agua.

Puaj! Ese sabor no presagiaba nada bueno, seguro que en un rato se iba a encontrar

bastante mal del estmago. Sin electroqumica, no hay cloro, ni leja para desinfectar el

agua! Cansado y sin comprender bien lo que haba sucedido, volvi a su casa, andando,

lgicamente, ya que ni metro ni taxis ni autobuses funcionaban!

Lleg a casa cansado e intent abrir la puerta. Nuestro Simplicio se di cuenta,

con gran y desagradable sorpresa, de que le era imposible abrir la puerta Se haba

convertido en un espritu y no tena entidad material! Haba pasado a lo que

comnmente, pero nunca bien comprendido, se denomina una mejor vida, y no poda

manejar una llave.

Totalmente lgico, el impulso nervioso y los latidos del corazn son fenmenos

electroqumicos y por esa razn, l estaba muerto, yo no he podido escribir este texto

corto ni t, amable lector, tampoco lo has podido leer. Sin la electroqumica, ninguno de

los tres existimos.

--oo0oo--

La importancia de una Ciencia o Tecnologa suele ser difcil de demostrar o de

medir ; su aceptacin por la sociedad se basa en sus logros, y si estos no son llamativos,

pasar desapercibida. Este puede ser el caso de la Electroqumica. El cuento breve que

antecede esta introduccin intenta reflexionar sobre algunos de los aspectos de la vida

cotidiana en los que la electroqumica tiene una participacin importante. De esta forma,

reflexionando sobre qu pasara si no existiera la electroqumica, se pone de manifiesto

la huella que esta ciencia ha dejado (y sigue dejando) en nuestras vidas, especialmente

en la era de la informacin de la sociedad actual, en la que mviles, Ipad, porttiles etc.,

juegan un papel tan importante.

La electroqumica es una parte importante de la qumica. A nivel acadmico,

encuentra su hueco en la mayora de los temarios, tanto de cursos generales de grados

en diversas ciencias experimentales como en el propio grado de qumica. Las reacciones

qumicas con transferencia de electrones aparecen en numerosas situaciones de la vida

cotidiana y constituyen un aspecto muy importante de las reacciones biolgicas. A pesar

de su importancia, la electroqumica suele ser recibida por los estudiantes con dificultad

(y muchas veces con desagrado). La mayor parte de las veces, los temas de

electroqumica se limitan a explicar las pilas en equilibrio y su relacin con la

espontaneidad de las reacciones de transferencia electrnica (reacciones redox). En

muchas ocasiones se fracasa en transmitir la verdadera importancia de esta ciencia y sus

implicaciones en otras ciencias, as como sus aplicaciones en la vida real. Esto ha hecho

que, tradicionalmente, el conocimiento sobre electroqumica en los egresados y

egresadas de grados de qumica y otras ciencias experimentales sea con frecuencia

inferior al que debera corresponder con la importancia de la materia. Esta situacin

tiende a perpetuarse si el propio profesorado no es experto en electroqumica y arrastra

las deficiencias que afectaron su periodo formativo en este campo.

El objetivo del presente trabajo de investigacin docente es la elaboracin de un

portafolio de ejemplos, en los que aparece la electroqumica en mbitos ms o menos

cotidianos, que pueda suplir las deficiencias formativas del profesorado en esta materia

y facilitarle la tarea de trasmitir al alumnado la verdadera importancia de esta parte de la

qumica. Se comenzar con un repaso de las primeras apariciones de la electroqumica

en la historia antigua (batera de Bagdad), se describirn brevemente los orgenes de la

electroqumica moderna y sus implicaciones en el desarrollo de otras ciencias;

finalmente se presentar una seleccin de algunas aplicaciones modernas. En este

sentido, el uso de bateras en la vida moderna es ampliamente conocido por el

alumnado. Sin embargo, es menos conocido el papel de la electroqumica en sntesis de

gran importancia industrial como son la sntesis del cloro o la sntesis del aluminio. La

electroqumica tambin aparece entre los principios de funcionamiento de diversos

biosensores, como son los sistemas de control de alcoholemia o en los sensores de

glucosa para pacientes con diabetes.

2. ORGENES DE LA ELECTROQUMICA

Aunque se toma la publicacin por parte de Volta de su famosa pila en 1800

como el hito histrico que marca el comienzo de la electroqumica en la era moderna,

existe algn ejemplo de uso de la electroqumica en la historia antigua. Uno de los

ejemplos que ms ha llamado la atencin es la llamada pila de Bagdad. Se conoce con

este nombre a una serie de objetos que se descubrieron en 1936, en una tumba cerca de

Bagdad, por unos trabajadores del ferrocarril iraqu. Los objetos datan del imperio

parto, que comenz 250 aos antes de Cristo y termin unos 500 aos despus. Consiste

en una serie de vasijas de cermica, de unos 14 cm de alto por 4 cm de dimetro, en

cuyo interior hay unos cilindros de cobre que contienen unas puntas de hierro. Los

cilindros de cobre estaban sellados a las vasijas con un aislante (asfalto), que tambin

podra separar los dos metales.

No se sabe cul era su uso, pero introduciendo un electrolito en el interior de las

vasijas aparece una diferencia de potencial entre los dos metales y se genera una

pequea corriente si se conectan los electrodos de forma adecuada. En la antigedad se

podra haber usado zumo de frutas o vinagre como electrolito. Se ha propuesto que estas

vasijas pudieran ser bateras utilizadas para dorar metales o para realizar descargas

elctricas en aplicaciones mdicas. Aunque la interpretacin resulte controvertida, se ha

credo interesante una mencin a estos objetos.

Como se ha dicho, la fecha que se toma como nacimiento de la electroqumica es

la de 1800 (20 de marzo de 1800, para ser exactos), ao en que Volta publica su famosa

pila constituida por discos de plata y zinc separados por papel impregnado en una

disolucin salina [1,2]. Este hallazgo marca no solo el nacimiento de la electroqumica

sino tambin el despegue de los estudios sobre la corriente elctrica. Antes de la

existencia de las bateras, los investigadores solo disponan de la electricidad esttica

como fuentes de corriente elctrica.

Es cierto que unos aos antes, Galvani haba generado electricidad introduciendo

metales en el cuerpo diseccionado de una rana. No obstante, Galvani fall en la

interpretacin de este hecho, al considerarlo un fenmeno particular de los seres vivos y

lo llam electricidad animal. Sin embargo, fueron estos experimentos los que atrajeron a

Volta hacia la electroqumica. [3]

La pila de Volta atrajo notable inters entre los cientficos de la poca [1]. Tanto

es as que incluso antes de que se publicara su trabajo, los cientficos Nicholson y

Carlisle reprodujeron el trabajo de Volta y realizaron por primera vez la electrolisis del

agua. Gracias a que Nicholson posea su propia revista, consigui publicar su trabajo

incluso antes de que apareciera el de Volta. Afortunadamente esto no le ha quitado el

crdito merecido al cientfico italiano. Tan solo unos aos despus de la invencin de la

pila, Davy logr aislar varios elementos alcalinos y alcalinotrreos mediante el paso de

corriente a travs de sales fundidas (al tener potenciales de reduccin muy negativos,

estos metales no se pueden sintetizar por reduccin de sus iones en disolucin acuosa

pues se reducira el agua en su lugar). Durante las primeras dcadas del siglo XIX se

propusieron varias alternativas a la pila de Volta. Una de ellas fue la pila Daniell, que

usaba cobre y zinc y que obtuvo bastante aplicacin en el desarrollo del telgrafo (una

aplicacin de la electricidad que no hubiera sido posible sin la pila de Volta). La pila

Daniell se ha convertido en el ejemplo favorito de la mayor parte de los libros de texto

(aunque bajo un estricto concepto termodinmico no es una pila reversible), cuando

tratan el tema de pilas y reacciones redox. En 1840 Grove public su famosa pila de

combustible basada en la recombinacin de hidrgeno y oxgeno. Por otro lado, Grove

tambin invent una pila compuesta por zinc en sulfato de zinc y platino en cido

ntrico, que tambin encontr su aplicacin en el telgrafo.

La electrolisis del agua cre mucha confusin en su momento, no tanto porque

se pudiera descomponer el agua en sus componentes, hidrgeno y oxgeno, sino porque

la aparicin de ambos gases se produjera en electrodos separados. En esa poca se

esperaba que, si se disocia una molcula en sus componentes por efecto de la

electricidad, ambos productos aparecieran en el mismo sitio. Para explicar esta aparente

contradiccin, Grotthuss propuso su famoso mecanismo de migracin de los iones, de

forma que cada ion se encuentra en todo momento unido a un ion de signo opuesto, de

modo que las molculas se mantienen neutras en todo momento aunque puntualmente

se disocian para intercambiarse los iones con las molculas adyacentes. Este mecanismo

o alguno similar fue aceptado durante algn tiempo, negndose la posibilidad de la

existencia de iones individuales en la disolucin. Hoy en da se sabe que esto no es as,

aunque este mecanismo describe bastante bien el modo en el que ion H+ difunde a

travs de la disolucin saltando de una molcula de agua a otra.

La disponibilidad de una fuente continua de electricidad atrajo el inters de

muchos cientficos para estudiar los fenmenos elctricos, lo que llev a descubrir la

relacin entre electricidad y magnetismo, (Oersted, 1820, Ampere, 1823), la induccin

electromagntica (Faraday, 1831), la invencin del motor y de la dinamo. Uno de los

grandes cientficos que trabaj en el campo de la electrolisis fue Faraday, quien formul

sus famosas leyes de la electrolisis. De hecho fue Faraday quien introdujo los trminos

electrodo, electrolito y electrolisis, as como los de anin y catin (a sugerencia de sus

amigos Whitlock Nicholl y William Whewell)[1].

3. APLICACIONES DE LA ELECTROQUMICA EN LA ACTUALIDAD

3.1. Bateras

Las bateras aprovechan la tendencia natural de muchas sustancias de aceptar o

ceder electrones durante ciertas transformaciones qumicas. Si se combina una sustancia

con tendencia a ceder electrones (reductor) con otra sustancia vida de captarlos

(oxidante) se produce espontneamente una reaccin de xido-reduccin o reaccin

redox. Si las sustancias se ponen en contacto directo la transferencia de electrones no es

aprovechable y la nica energa intercambiada se producir en forma de calor. Sin

embargo, separando el oxidante y reductor en compartimentos distintos, se puede lograr

el trnsito de electrones a travs de un circuito externo, obtenindose as energa

elctrica til.

Dentro del grupo de bateras primarias o pilas cabe destacar [4]:

La pila Leclanch (pila salina): hasta hace pocas dcadas era la pila ms

utilizada. Hoy en da ha sido casi totalmente sustituida por su modalidad alcalina. El

polo positivo est compuesto por dixido de manganeso mezclado con carbn para

mejorar la conductividad elctrica; el negativo es una placa de zinc. Las reacciones que

se producen en los electrodos son:

Ctodo: 2MnO2 + 2H2O + 2e 2MnOOH + 2OH-

nodo: Zn + 2NH4Cl + 2OH- Zn(NH3)2Cl2 (s) + 2H2O + 2e

La precipitacin del Zn(NH3)2Cl2 hace que la reaccin sea irreversible y que la

pila no se pueda recargar. En los modelos antiguos, la carcasa externa de la pila estaba

constituida por el propio nodo de zinc. La reaccin de precipitacin descrita

anteriormente lleva asociado una disminucin del pH de la disolucin que puede

ocasionar la corrosin del zinc. Adems, pH cidos favorecen la hidrlisis del agente

gelificante (almidn) del electrolito, hacindolo ms fluido y ocasionando fugas. Por

ello, no era raro en las antiguas pilas que el electrolito se escapase provocando daos en

el aparato elctrico que alimentaba. La reaccin del ctodo es en realidad una insercin

de protones en la red cristalina del xido. Esta reaccin est limitada por la velocidad de

difusin del protn. Cuando sta es insuficiente para la corriente demandada a la pila, se

originan perdidas de voltaje debidas a la distribucin no homognea de protones en el

interior del xido que desaparece cuando se deja reposar la pila. Por este motivo, una

pila que parece gastada se recupera cuando se la deja descansar.

La pila alcalina: las reacciones que ocurren en los electrodos son muy similares

a las de la pila Leclanch, pero en este caso el electrolito es KOH. En estas condiciones

las reacciones de transferencia electrnica son ms rpidas y por tanto la pila

proporciona una mayor potencia. Por este motivo, la variedad alcalina est eliminando a

la salina del mercado.

Ctodo: MnO2 + 2H2O + 2e- 2Mn(OH)2 + 2OH

-

nodo: Zn + 4OH- ZnO2

2- + 2H2O + 2e

-

En este modelo de pilas la carcasa es de acero, el ctodo se encuentra en el

exterior y el nodo est formado por un polvo de zinc, a diferencia de las pilas salinas

descritas anteriormente. Por eso es ms raro que una pila moderna tenga fugas de

electrolito.

Bateras litio, xido de manganeso.

La reaccin global de la clula es:

2MnO2 + 2Li Mn2O3 + Li2O

El ctodo es un polvo de dixido de manganeso y el nodo un electrodo de litio.

Son las famosas pilas botn que llevan el prefijo CR en su nombre, como la CR2023

De entre las bateras secundarias o recargables, las ms importantes son:

Batera de cida de plomo:

Introducida en 1859 por Gastn Plant, est basada en las siguientes reacciones

descarga+ -

2 4 4 2carga

descarga- +

4 4carga

descarga

2 2 4 4 2carga

PbO +3H +HSO +2e PbSO +H O 1, 69 V

Pb+HSO PbSO +H +2e 0,36 V

PbO +Pb+2H SO 2PbSO +H O 2, 06 V

o

o

o

E

E

E

El electrodo positivo es, inicialmente, una pasta de PbO sobre una malla de

plomo empapado en cido sulfrico. Se aade Sn, Sb, Ca o Se para mejorar las

propiedades mecnicas. El electrodo negativo se construye usando la misma pasta, a la

que se aade aditivos orgnicos (cido lignosulfnico) y BaSO4 para evitar la formacin

de cristales gruesos de PbSO4 (sulfatacin). Estos electrodos preformados se

electrolizan durante una primera carga en fbrica para formar el PbO2 en el electrodo

positivo y una esponja de plomo altamente porosa en el electrodo negativo.

Tpicamente, seis clulas en serie proporcionan los 12 V necesarios. Las reacciones

durante la carga compiten con la formacin de H2 y O2. Para evitarlas se aade aditivos

y se sustituye el Sb del electrodo positivo por Ca o Sr/Sn/Al (bateras sin

mantenimiento).

Bateras de NiMH: la reaccin global consiste en la intercalacin y

desintercalacin de hidrgeno en ambos electrodos. Aunque ya han sido reemplazadas

en todos los dispositivos electrnicos porttiles por las bateras de ion litio, son las

bateras que actualmente se emplean en los coches hbridos. Todava se pueden adquirir

como bateras cilndricas AA y AAA para reemplazar las pilas alcalinas.

arg -

2 2arg

arg-

abs 2arg

Ni(OOH)+H O+e Ni(OH) +OH

M-H + OH M+H O+ e

desc a

c a

desc a

c a

Bateras de ion Li: estn basadas en el movimiento de los iones litio desde el

nodo hasta el ctodo, formando compuestos de intercalacin en ambos electrodos con

distinto potencial electroqumico. Los nodos son normalmente de grafito, mientras que

el ctodo est formado por un xido metlico, siendo el ms comn un xido de

cobalto.

Estas bateras han sufrido una rpida expansin desde su incorporacin al

mercado de los pequeos equipos porttiles, como telfonos mviles, ordenadores

porttiles, cmaras digitales, reproductores de msica, etc.

3.2. Biosensores

Un biosensor es un dispositivo analtico formado por un bioreceptor para la

deteccin de especies biolgicas (analitos) y un transductor que convierte la seal

biolgica en una seal elctrica medible. Esta seal es proporcional al compuesto que se

quiere detectar y puede contener informacin de tipo cuantitativo y cualitativo.

El primer biosensor de glucosa fue descrito por Clark y Lyons en 1962. El

primer electrodo de enzimas de Clark fue diseado por Yellow Springs Industries [5].

Los dispositivos que funcionan con este tipo de electrodos se denominan biose nsores

de primera generacin. En el caso concreto del biosensor de glucosa la enzima glucosa

oxidasa acta como bioreceptor catalizando la siguiente reaccin:

Glucosa + O2 cido glucnico + H2O2

Posteriormente el H2O2 presente en la superficie de un electrodo de platino

(electrodo de Clark) se oxida a 700 mV (vs ECS) y produce una corriente elctrica

directamente proporcional a la concentracin de glucosa presente en la muestra.

En funcin del modo o principio que rige el funcionamiento de los biosensores

de glucosa estos se clasifican en [6]:

- Sensores Amperomtricos: determinan la concentracin de oxgeno o perxido

de hidrgeno y la convierten en corriente elctrica.

- Sensores Potenciomtricos: detectan el cambio de pH causado por el cido

glucnico producido y lo convierten en una diferencia de potencial.

- Otros sensores no electroqumicos se basan en tcnicas pticas o

espectroscpicas [7] (espectroscopia IR, espectroscopa Raman, cromoscopa,

polarimetra, tomografa de coherencia ptica, infrarrojo trmico, espectroscopia

de oclusin, espectroscopia foto acstica, fluorescencia) o transcutneas

(iontoforesis invertida, sonoforesis, ampollas de succin, espectroscopia de

impedancias).

En la actualidad se estn destinando grandes esfuerzos en investigacin para

disear biosensores de glucosa en los que las interferencias del ruido y el oxgeno sean

menores pero que operen tambin en modo continuo, permitiendo as monitorear el

nivel de glucosa intersticial indicando si hay riesgo o no por hipoglucemia en el

paciente.

Han surgido as los biosensores de segunda generacin que utilizan especies

donadoras y aceptoras de electrones llamadas mediadores [8] cuyo potencial de

oxidacin es menor que el del perxido de hidrgeno y que catalizan la siguiente

reaccin:

Glucosa + 2 MOx

cido glucnico + 2 MRed + 2 H+

Este mecanismo rige el funcionamiento de los test de glucosa cotidianos

comnmente empleados por miles de individuos en la actualidad.

3.3. Sistemas de control de alcoholemia

Al realizarse una prueba de alcoholemia, los alcoholmetros utilizan el aliento

como mtodo para averiguar la tasa de alcohol en sangre (TAS). Las concentraciones de

alcohol en la sangre y en el aliento (aire exhalado de los alvolos) estn en equilibrio y

pueden relacionarse mediante un factor denominado proporcin de particin.

Se han fabricado muchos alcoholmetros diferentes a lo largo de estos ltimos

aos, como es el caso de los que utilizan el cambio de color en una reaccin qumica del

etanol con dicromato potsico, los que usan sensores IR para detectar las bandas tpicas

de absorcin del etanol o los de cromatografa de gases, que permite separar mezclas de

especies voltiles como el etanol [9-12].

Sin embargo, los dos alcoholmetros ms vendidos en el mercado son los que

tienen un sensor semiconductor y los que funcionan como una celda de combustible

[9,10]. Los sensores semiconductores miden la variacin en la resistividad de un grano

de xido de estao al reaccionar con el etanol. Tienen el inconveniente de que, a pesar

de su bajo coste, son imprecisos y poco fiables si no se calibran peridicamente.

Los alcoholmetros que utilizan sensores electroqumicos son muy aceptados

actualmente. Estos dispositivos estn formados por una pequea celda de combustible

de la cual se obtiene energa elctrica a partir de una fuente externa de combustible y de

oxgeno. En este caso, el aliento est dirigido hacia la pila de combustible, que consta de

dos electrodos de platino donde se genera la corriente elctrica estudiada:

Las reacciones de los electrodos son:

nodo: CH3CH2OH + H2O CH3COOH + 4H+ + 4e

Ctodo: O2 + 4 H+ + 4e 2 H2O

Junto al compartimento andico se sita un detector que analiza la corriente

producida durante el consumo de etanol y que es utilizada para calcular la cantidad de

alcohol presente en el aliento.

Estos alcoholmetros presentan varias ventajas: i) Son los ms precisos para

indicar el TAS. Ii) Tienen una alta especificidad y no tiene problemas de falsos

positivos por accin de humo de cigarrillo en las personas fumadoras o por la secrecin

de acetona en el caso de las personas diabticas. Iii) No requiere mucho mantenimiento

ni ser calibrado con frecuencia. Iv) Al utilizar la tecnologa de las celdas de

combustible, no se ven afectadas por compuestos qumicos ni por otras especies

contaminantes del medio ambiente.

Adems, existen biosensores colorimtricos, capaces de detectar etanol, basados

en la co-inmovilizacin de la enzima alcohol oxidasa (AOX) junto a la peroxidasa de

rbano (HRP). Estos sensores utilizan la transferencia electrnica entre el HRP y un

electrodo para calcular la cantidad de etanol presente [13].

3.4. Sntesis Electroqumica:

Existen numerosos ejemplos de sntesis electroqumica tanto de compuestos

orgnicos como inorgnicos. La sntesis electroqumica posee numerosas ventajas,

derivadas del uso del electrn como reactivo. Este es un reactivo barato, no genera

gastos de almacenaje (solo la potencia contratada) y se le tiene en la cantidad que se

desee. Por otro lado, las reacciones electroqumicas suelen ser ms selectivas, pues el

potencial del reductor u oxidante se controla a voluntad, tienen lugar en condiciones

ms suaves de presin y temperatura y en caso de necesidad, la reaccin se detiene

simplemente desconectando la corriente elctrica.

La sntesis orgnica con mayor xito es la del adiponitrilo, un intermedio para

la obtencin del Nylon, a partir del acrilonitrilo, siendo por tanto una reaccin de

dimerizacin. Fue desarrollada por Baizer (Monsanto en 1965). Su xito se bas en un

estudio de la influencia de los componentes de la disolucin de partida, especialmente

de lo que se conoce como electrolito soporte. Como indica el siguiente esquema de

reaccin:

CN H2C CH C N NCCN

NCCN

CN1.

2. + e-+ e-

Et4NOTs

2 H2O

2 HO

tras la primera transferencia electrnica, se produce un radical libre que, si encuentra en

sus proximidades a otro radical, dimeriza (es decir, se unen dos radicales), produciendo

adiponitrilo. Sin embargo, el radical libre es muy reactivo y puede llevar a cabo otro

tipo de reaccin. Una de ellas es la posible reaccin con el agua de la disolucin dando

propionitrilo. Sin embargo, en el proceso Baizer, la presencia de sales de amonio en la

disolucin expulsa al agua de las cercanas del electrodo donde se produce la formacin

del radical libre. De esta forma se facilita la reaccin de dimerizacin. Es pues un claro

ejemplo de cmo un estudio bsico centrado en la estructura de una interfase

electrodo/disolvente puede devenir en un proceso industrial electroqumico.

Lgicamente, con el paso de los aos, la sntesis se ha optimizado pero siempre basada

en el proceso de Baizer.

Inicialmente se llev a cabo en clulas dividas empleando ctodos de Pb y

nodos de PbO2 y en presencia de tetraetil tosilato o sulfato de etilo Actualmente se ha

optimizado y se emplea una clula no dividida con ctodo de cadmio y un electrolito

soporte compuesto por un fosfato de hexametilen bis(dibutiletil-amonio). Para evitar la

corrosin del electrodo se aaden inhibidores tales como (NaHPO4, Na2B4O7, Na4-

EDTA).

Sntesis de aluminio.

El aluminio elemental fue producido por primera vez en 1825 por H.C. Oersted

mediante la reduccin de cloruro de aluminio por una amalgama de potasio y la

posterior destilacin del mercurio [14]. Mejoras posteriores en el proceso de obtencin

del aluminio introdujeron el uso del sodio como agente reductor. A finales del siglo

XIX, el aluminio era considerado un metal extremadamente raro y precioso, hasta el

punto de ser exhibido como tal en la exposicin de Paris de 1855. En esta poca, el

precio del aluminio era comparable al de la plata y Napoleon III usaba cubertera de

aluminio en los banquetes de estado. Otra indicacin del elevado valor del aluminio en

esa poca es que este material se eligi en 1884 para coronar el monumento a

Washington, (la construccin ms alta hasta la fecha, posteriormente superada por la

torre Eiffel), para cuyo propsito se fabric una pirmide de 2.8 kg de aluminio

convirtindose en la mayor pieza de aluminio creada hasta el momento. Durante los

aos 80 del siglo XIX el aluminio se obtena por reduccin con sodio obtenido

electrolticamente. El sodio era caro y, por ende, el aluminio resultante tambin lo era.

Sin embargo, el proceso se fue perfeccionando llegando a producirse por este mtodo

varias toneladas de aluminio al ao (Proceso Deville, en honor de Henri Sainte-Claire

Deville).

El precio del aluminio cay espectacularmente tras la invencin de un proceso

de produccin electroltico en 1886 (justo 2 aos despus de completar el monumento a

Washington). En este ao, Charles Martn Hall en Ohio y Paul L.T. Heroult en Pars

solicitaron simultneamente la patente de dicho proceso, de forma independiente.

Aunque el aluminio es el metal ms abundantes en la corteza terrestre (8.3% en peso),

ms abundante que el hierro (6.2%), se encuentra casi exclusivamente en forma oxidada

Al(III). Al ser un metal muy electropositivo, con un potencial redox de -1.66 V, resulta

muy difcil transformarlo al estado elemental. Cualquier intento de realizar la

electrolisis en medio acuoso solo producira H2 en lugar de aluminio. De hecho,

Humphry Davy, descubridor del sodio, potasio y calcio, entre otros elementos, fracas

en el intento de aislar aluminio por mtodos electrolticos.

No es de extraar que existiera un gran inters por desarrollar un mtodo barato

para la produccin de aluminio. Sus interesantes propiedades metlicas, su reducido

peso y elevada resistencia a la corrosin ya auguraban un amplio abanico de

propiedades para lo que en la fecha era un extico material. De hecho, Napoleon III

financi el trabajo de Deville con la esperanza de que el aluminio pudiera usarse como

material para la construccin de armaduras ligeras. Por tanto, no es de extraar que, con

toda la comunidad cientfica trabajando en la mejora del proceso, dos cientficos

llegaran simultneamente e independientemente a desarrollar el mismo mtodo de

produccin de aluminio. Ms casualidad es que ambos cientficos tuvieran 22 aos en el

momento de alcanzar este descubrimiento.

Hall solicit la patente el 9 de julio de 1886. Por otro lado, Paul Heroult obtuvo

la patente francesa el 23 de abril de 1886 y haba solicitado la patente americana en

mayo. Hall tuvo que demostrar que haba desarrollado el mtodo con anterioridad a la

solicitud de Paul Heroult para conseguir su patente [15]. En 1888 Hall estableci una

compaa para la fabricacin de aluminio, (Pittsburgh Reduction Company). En sus

orgenes la compaa tena 2 clulas electrolticas operando con 1750 A y 16 V,

produciendo alrededor de 20 kg de aluminio al da. En 1907 la compaa despus pas a

llamarse Aluminum Company of America o Alcoa. Se construyeron plantas en

Niagara (la sntesis consume una gran cantidad de energa) y en otros lugares donde la

energa elctrica hidrulica fuera barata.

El proceso Hall-Heroult de produccin de aluminio se basa en la electrolisis de

almina (Al2O3) disuelta en un bao fundido de criolita al cual se le aaden otros

aditivos para disminuir la temperatura de fusin (composicin eutctica). En los

ctodos de carbn se produce la reduccin del aluminio segn:

Al3+

+ 3 e Al

Como nodo tambin se usan electrodos de carbn, que se oxidan para formar

CO2. Por tanto, los nodos se consumen y es necesario reemplazarlos peridicamente.

Los nodos de carbn proceden de coque de petrleo y alquitrn solidificado por un

proceso de recocido. Segn el tipo de recocido, las clulas de produccin de aluminio

son de dos tipos: unas usan nodos cocinados aparte mientras que en las otras se aade

el alquitrn directamente en la clula donde, debido a las altas temperatura se produce el

recocido in situ. Durante el proceso de recocido se producen gases que, si este se hace

in situ, resultan ms difciles de gestionar. Por ello, este tipo de clulas genera mayor

nmero de problemas medioambientales y est tendiendo a desaparecer en favor de las

que usan nodos pre-cocidos.

Durante la operacin de la clula se producen algunos gases, en particular se

produce flor. En ocasiones estos gases se acumulan alrededor del nodo creando altos

sobrevoltajes. Para eliminarlos, un antiguo truco consista en introducir una vara de

madera verde. La madera a alta temperatura forma compuestos orgnicos que

reaccionan rpidamente con el flor, eliminndolo de forma eficiente.

4. CONCLUSIONES

Los ejemplos anteriores no pretenden desarrollar los temas tratados en toda su

extensin sino proporcionar una gua rpida para dotar al profesorado de recursos

suficientes para transmitir al alumnado la importancia de la electroqumica en la

sociedad moderna, as como en el desarrollo histrico de la ciencia.

5. REFERENCIAS

1.- K.J. Laidler. The chemical history of a current, Can. J. Chem. 75 (1997)

1552.

2.- S. Trasatti. 17991999: Alessandro Voltas Electric PileTwo hundred

years, but it doesnt seem like it J. Electroanal.Chem 460 (1999) 1

3.- S. Trasatti. 1786-1986: Bicentennial of Luigi Galvanis most famous

experiments J. electroanal. Chem. 197 (1986) 1

4.- C.A. Vincent. Modern Batteries Edward Arnold ltd, 1986

5.- Yellow Springs Industries, http://www.ysi.com/

6.- Electrodos para medir Glucosa Paola Sciarra Gatti ( 2004).

7.-N.S. Oliver, C.Toumazou, A.E.G. Cass, D.Johnston ," Glucose sensors: a

review of current emerging technology ",Diabetic Medicine, 26 (2009) 197.

8.-Gerard L.Cot,Ryszard M.Lec, Michael V.Pishko,"Emerging Biomedical

Sensing Tecnologies and Their Applications",IEEE Sensors Journal, 3 (2003) 251

9.-BreathalyzerAlcoholTester, http://www.breathalyzeralcoholtester.com

10.-Breathalyzer Canada, http://www.breathalyzercanada.com

11.-QuimiNet, http://www.quiminet.com

12.-A.M. Azevedo, D.M.F. Prazeres, J.M.S. Cabral, L.P. Fonseca, Biosens.

Bioelectron., 21 (2005) 235.

13.-Adams, E.C., 1988. Method of preparing a test strip for alcohol testing.

Patent # 4 786 569, USA

14.- T.R. Beck. Electrolytic production of Aluminium en "Electrochemistry

Encyclopedia" (http://electrochem.cwru.edu/encycl/)

15.- ACS education resources. National Historic Chemical Landmark: Hall

Process: Production and Commercialization of Aluminum Commemorative booklet.