Calculadora de Electrólisis - Deposición de Masa (Ley de Faraday)

¿Qué es una calculadora de electrólisis?

Una calculadora de electrólisis determina la masa de un metal depositada o disuelta en un electrodo durante la electrólisis. La electrólisis es un proceso que utiliza una corriente eléctrica para forzar una reacción química que no ocurriría por sí sola. La calculadora aplica la ley de Faraday de la electrólisis mediante la corriente, el tiempo y las propiedades del metal seleccionado.

Cómo calcular la masa de electrólisis: fórmula de la ley de Faraday

La ley de Faraday establece que la masa de una sustancia producida en un electrodo es proporcional a la cantidad de carga eléctrica que lo atraviesa. La carga es igual a la corriente multiplicada por el tiempo, por lo que la fórmula suele escribirse así:

$m = \frac{I \times t \times M}{z \times F}$

• m — masa de la sustancia producida o disuelta, en gramos
• I — corriente, en amperios (A)
• t — tiempo, en segundos (s)
• M — masa molar de la sustancia, en gramos por mol (g/mol)
• z — valencia, el número de electrones transferidos por ion
• F — constante de Faraday, 96.485 culombios por mol (C/mol)

La constante de Faraday recibe su nombre del científico inglés Michael Faraday. Es la carga eléctrica transportada por un mol de electrones.

Por qué es importante la valencia

La valencia depende de la carga del ion. Un ion de cobre, Cu²⁺, necesita dos electrones para convertirse en un átomo de cobre, por lo que su valencia es 2. Un ion de plata, Ag⁺, solo necesita un electrón, por lo que su valencia es 1. Un ion de oro, Au³⁺, necesita tres electrones, por lo que su valencia es 3. Una valencia más alta significa que se necesitan más electrones por átomo, por lo que se deposita menos masa con la misma cantidad de carga.

Masa molar y valencia de metales comunes

Ejemplo de cálculo

Una corriente de 1 amperio atraviesa una disolución de sulfato de cobre durante 1 hora (3.600 segundos). ¿Cuánto cobre se deposita en el cátodo, el electrodo donde se produce la reducción?

• I = 1 A
• t = 3.600 s
• M = 63,55 g/mol (cobre)
• z = 2 (Cu²⁺)
• F = 96.485 C/mol

$m = \frac{1 \times 3600 \times 63.55}{2 \times 96485} = \frac{228780}{192970} \approx 1.18557 \text{ g}$

Se depositan aproximadamente 1,19 gramos de cobre.

Segundo ejemplo: una corriente de 2 amperios atraviesa una disolución de nitrato de plata durante 10 minutos (600 segundos). La plata tiene una masa molar de 107,87 g/mol y una valencia de 1.

$m = \frac{2 \times 600 \times 107.87}{1 \times 96485} \approx 1.34160 \text{ g}$

Se depositan aproximadamente 1,34 gramos de plata, más que en el ejemplo del cobre, principalmente porque la valencia de la plata es menor.

Cómo usar la calculadora

Introduzca la corriente en amperios y el tiempo en segundos, y después seleccione un metal de la lista. El resultado se actualiza automáticamente. Conversiones de tiempo habituales: 1 minuto = 60 segundos, 1 hora = 3.600 segundos, 1 día = 86.400 segundos.

Aplicaciones de la electrólisis

La galvanoplastia recubre un metal con una capa fina de otro, como al bañar joyas en oro o recubrir piezas de acero con níquel para resistir la corrosión. La refinación de metales utiliza la electrólisis para purificarlos; el cobre refinado de esta forma puede alcanzar una pureza superior al 99,9 %. La obtención electrolítica extrae metales como el zinc de una disolución preparada a partir de mineral triturado. El aluminio se produce de la misma manera, pero a partir de alúmina disuelta en un baño de sales fundidas en lugar de agua. La electrólisis del agua separa el agua en hidrógeno y oxígeno gaseosos, un método utilizado para producir combustible de hidrógeno.

La ley de Faraday proporciona la masa teórica máxima. En los procesos reales normalmente se deposita un poco menos, porque parte de la corriente impulsa reacciones secundarias en lugar de la reacción principal. Esta proporción se denomina eficiencia de corriente y suele ser del 90–98 % en la galvanoplastia industrial.

Historia de la ley de Faraday

En 1800, Alessandro Volta construyó la primera batería, lo que proporcionó a los científicos una fuente constante de corriente eléctrica por primera vez. Ese mismo año, William Nicholson y Anthony Carlisle la utilizaron para separar el agua en hidrógeno y oxígeno, en una de las primeras demostraciones de electrólisis. Entre 1807 y 1808, Humphry Davy empleó la electrólisis para aislar varios elementos, incluidos el potasio y el sodio.

Michael Faraday, que había trabajado como asistente de Davy, realizó experimentos detallados sobre la electrólisis a comienzos de la década de 1830. En 1832 y 1834 publicó dos leyes que describían la relación exacta entre la carga eléctrica y la masa de sustancia producida. También introdujo los términos electrodo, ánodo, cátodo e ion, que todavía se utilizan en química.

Preguntas frecuentes

¿Cómo se calcula la masa depositada durante la electrólisis?
Multiplique la corriente por el tiempo para obtener la carga total, multiplique ese resultado por la masa molar de la sustancia y divida entre la valencia multiplicada por la constante de Faraday: m = (I × t × M) / (z × F).

¿Qué es la constante de Faraday?
Es la carga eléctrica transportada por un mol de electrones, aproximadamente 96.485 culombios por mol.

¿Cuál es la diferencia entre el ánodo y el cátodo?
El ánodo es el electrodo donde se produce la oxidación y se pierden electrones. El cátodo es el electrodo donde se produce la reducción y se ganan electrones. Cuando un metal se deposita a partir de una disolución, se forma en el cátodo.

¿La temperatura afecta al resultado del cálculo?
La temperatura no aparece en la ley de Faraday, por lo que no cambia la masa calculada. Puede afectar a la eficiencia real del proceso, ya que las temperaturas más altas suelen acelerar las reacciones secundarias.

¿Qué metales admite esta calculadora?
Cobre, plata, oro, zinc, níquel, hierro y aluminio, cada uno con su masa molar y valencia estándar incorporadas. Para cualquier otro metal, se puede utilizar la misma fórmula si se conocen la masa molar y la valencia.

¿Por qué puede diferir la masa depositada real del valor calculado?
La ley de Faraday supone que toda la corriente se emplea en la reacción principal. En la práctica, parte de la corriente se pierde en reacciones secundarias o por la resistencia, por lo que los depósitos reales suelen ser un poco más ligeros que el valor calculado. La proporción entre la masa real y la masa teórica se denomina eficiencia de corriente.

Referencias

1. Faraday, M. (1834). "Experimental Researches in Electricity. Seventh Series." Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 124, 77–122.
2. Bard, A. J., & Faulkner, L. R. (2000). Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications (2nd ed.). John Wiley & Sons.
3. Atkins, P., & de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10th ed.). Oxford University Press.