Oxidazio eta Erredukzio Prozesuak Elektrokimikan
Elektrokimika kimikaren adarra da, erreakzio kimikoen eta elektrizitatearen arteko erlazioa aztertzen duena. Elektrokimikan, beti agertzen den kontzeptu oinarrizkoena oxidazio eta erredukzio (erredox) erreakzioak dira. Erredox erreakzioen bidez , elektroiak substantzia batetik bestera mugi daitezke. Elektroi-transferentzia hau aldaketa kimikoen eta energia elektrikoaren arteko "zubia" da, bai baterietan, bai metagailuetan, bai erregai-piletan, bai prozesu industrialetan, hala nola galvanizazioan eta metalen fintzean. Oxidazioak eta erredukzioak nola funtzionatzen duten ulertzeak lagunduko digu ulertzen zergatik sor dezakeen bateria batek korronte elektrikoa, edo nola elektrolisi-prozesuak konposatu bat bere elementuetan alda dezakeen.
Oxidazioa eta Erredukzioa Ulertzea
Laburbilduz, oxidazioa elektroiak askatzeko prozesua da, eta erredukzioa, berriz, elektroiak irabazteko prozesua. Erredox erreakzio batean, oxidazioa eta erredukzioa beti aldi berean gertatzen dira, substantzia batek askatzen dituen elektroiak beste substantzia batek onartu behar baititu.
Elektroietan oinarritutako definizioaz gain, oxidazioa eta erredukzioa ezagutzeko beste modu batzuk ere badaude:
1. Oxidazio-zenbakian (ox zenbakian) oinarrituta:
– Oxidazioa: elementu baten oxidazio-zenbakia handitzen da.
– Erredukzioa: elementu baten oxidazio-zenbakia gutxitzen da.
2. Oxigenoan eta hidrogenoan oinarrituta (definizio klasikoa):
– Oxidazioa: oxigenoaren gehikuntza edo hidrogenoaren erredukzioa.
– Erredukzioa: oxigenoa kentzea edo hidrogenoa gehitzea.
Hala ere, elektrokimikan, definizio praktikoena elektroietan oinarritutakoa da oraindik: oxidazioak elektroiak galtzen ditu, erredukzioak elektroiak irabazten ditu.
Erdi-erreakzioa erredox-ean
Elektrokimikan, erredox erreakzioak normalean bi erdi-erreakziotan banatzen dira:
– Oxidazio (anodo) erreakzioa: substantzia batek elektroiak galtzen ditu
Adibide ohikoenak:
\[
\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^-
\]
– Erredukzio-erreakzioa (katodikoa): substantziak elektroiak irabazten ditu
Adibide ohikoenak:
\[
\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}
\]
Erreakzioa erdi-erreakzioetan banatuz, elektroien fluxua argiago jarrai dezakegu, eta, aldi berean, errazagoa da erredox erreakzioak orekatzea, batez ere baldintza azido edo basikoetan.
Zelula elektrokimikoak: erreakzioak eta elektrizitatea elkartzen diren lekua
Pila elektrokimikoa energia elektrikoa sortzeko edo erabiltzeko erredox erreakzioak erabiltzen dituen sistema bat da. Bi mota nagusi daude:
1. Pila galbanikoak/voltaikoak (elektrizitatea berez sortzen dute)
Adibideak: bateriak eta Daniell pilak.
2. Zelula elektrolitikoa (elektrizitatea erabiliz erreakzio ez-espontaneo bat behartzeko)
Adibideak: uraren elektrolisia, metalezko estaldura (galvanizazioa).
Bi zelula hauek beti anodo bat eta katodo bat izaten dituzte, baina garrantzitsua da gogoratzea: anodoa beti da oxidazioaren gunea, eta katodoa, berriz, erredukzioaren gunea. Aldatzen den gauza bakarra elektrodoaren kargaren zeinua da, zelula motaren arabera.
Oxidazioa eta Erredukzioa Pila Galbanikoetan (Pila Voltaikoak)
Pila galbanikoek energia kimikoa energia elektriko bihurtzen dute. Erredox erreakzioa berez gertatzen da, elektroiak kanpoko zirkuitutik igarotzea eraginez, korrontea sortuz.
Adibide klasikoena zink (Zn) eta kobre (Cu) elektrodoz osatutako Daniell pila da:
– Anodoa (oxidazioa): Zn-k elektroiak askatzen ditu
\[
\text{Zn(s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+}\text{(aq)} + 2e^-
\]
– Katodoa (erredukzioa): Cu²⁺ ioiek elektroiak onartzen dituzte
\[
\text{Cu}^{2+}\text{(aq)} + 2e^- \rightarrow \text{Cu(s)}
\]
Elektroiak anodotik (Zn) katodora (Cu) igarotzen dira hariaren bidez. Bitartean, disoluzioan karga-neutralitatea mantentzeko, gatz-zubi bat erabiltzen da ioiek mugitu eta karga orekatzeko aukera izan dezaten.
Zelula galbanikoen ezaugarri garrantzitsuak:
– Erreakzio espontaneoa.
– Anodoa karga negatiboa du (elektroien iturria delako).
- Katodoa positiboki kargatuta dago.
Oxidazioa eta Erredukzioa Zelula Elektrolitikoetan
Pila galbanikoek ez bezala, zelula elektrolitikoek kanpoko korronte elektriko iturri bat behar dute erreakzio ez-espontaneoak bultzatzeko. Korronte elektrikoak elektroiak isurtzera "behartzen" ditu, erredox erreakzioa gerta dadin.
Adibideak: gatz-disoluzioaren elektrolisia edo uraren elektrolisia.
Adibide gisa, uraren elektrolisian (elektrolito lagungarriekin), honako hau gertatzen da:
– Katodoko erredukzioa: urak elektroiak hartzen ditu hidrogeno gasa sortzeko.
\[
2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 + 2OH^-
\]
– Oxidazioa anodoan: ur/hidroxido ioiek elektroiak askatzen dituzte oxigeno gasa sortzeko.
\[
4OH^- O_2 + 2H_2O + 4e^-
\]
Zelula elektrolitikoen ezaugarri garrantzitsuak:
– Erreakzio ez-espontaneoa.
– Anodo positiboki kargatua (elikatze-iturriaren polo positibora konektatuta).
- Katodoa negatiboki kargatuta dago.
Elektrodoaren zeinuak pila galbaniko batekin alderatuta aldatzen diren arren, oinarrizko araua mantentzen da: oxidazioa anodoan gertatzen da eta erredukzioa katodoan.
Oxidatzaileen eta erreduktoreen eginkizuna
Erredox erreakzioetan, bi "jokalari" nagusi ezagutzen dira:
– Oxidatzailea (oxidatzailea): beste substantzia bat oxidatzea eragiten duen substantzia, oxidatzaileak berak erredukzioa jasaten duelarik (elektroiak jasotzen dituelarik).
– Erreduktorea (erredukzio-agentea): beste substantzia bat erreduzitzea eragiten duen substantzia, erreduktorea bera oxidatzen duena (elektroiak askatzen dituena).
Daniellen zelulan:
– Zinka (Zn) erreduzitzailea da, elektroiak askatzen baititu.
Cu²⁺ ioia oxidatzailea da, elektroiak onartzen dituelako.
Kontzeptu hau garrantzitsua da erreakzioen norabidea aurreikusteko eta zergatik substantzia bikote batzuek beste batzuek baino tentsio handiagoak sor ditzaketen ulertzeko.
Elektrodo Potentziala eta Erredox Joera
Elektrokimikan, substantzia batek erredukzioa jasateko duen joera bere erredukzio-potentzial estandarraren (E°) bidez adierazten da. Zenbat eta handiagoa izan E° balioa, orduan eta errazago jasaten du substantziak erredukzioa (zenbat eta indartsuagoa da oxidatzaile gisa). Alderantziz, E° txikia edo negatiboa duten substantziek errazago oxidatzen dute (erredukzio-agente indartsuagoak dira).
Zelula galbaniko baten tentsioa, oro har, honela kalkula daiteke:
\[
E^\circ_{\text{zelula}} = E^\circ_{\text{katodo}} – E^\circ_{\text{anodo}}
\]
\(E^\circ_{\text{sel}}\) positiboa bada, erreakzioa espontaneoa izateko joera du (pila galbanikoetarako egokia).
Oxidazio-erredukzioaren aplikazioak bizitzan eta industrian
Elektrokimikako oxidazio eta erredukzio prozesuak giza jarduerekin estuki lotuta daude. Bere aplikazio garrantzitsu batzuk hauek dira:
1. Pilak eta metagailuak: erredox erreakzioak erabiltzen dituzte elektrizitatea sortzeko, adibidez, pila alkalinoak, litio-ioizko bateriak eta berun-azidozko bateriak.
2. Metalezko estaldura (elektrostatika): kromo edo nikelezko estaldura, itxura eta korrosioarekiko erresistentzia hobetzeko.
3. Metalen fintzea: adibidez, kobrea elektrolisia erabiliz fintzea kalitate handiko metala lortzeko.
4. Korrosioaren aurkako babesa: lurpeko hodietan edo itsasontzien kroskoetan erabiltzen diren babes katodiko teknikek burdina oxidatzea (herdoila) eragozten dute.
5. Erregai-pila: erregaiaren (adibidez, hidrogenoaren) energia kimikoa elektrizitate bihurtzen du erredukzio-erreakzio kontrolatu baten bidez.
Ondorioa
Oxidazioa eta erredukzioa elektrokimikaren muina dira. Oxidazioa elektroien askapena da, eta erredukzioa, berriz, elektroien irabaztea. Bi prozesu hauek beti gertatzen dira elkarrekin erredukzio-erreakzioetan, eta zelula galbaniko eta elektrolitikoen funtzionamenduaren oinarria dira. Oxidazioa (anodoa) eta erredukzioa (katodoa) non gertatzen diren, oxidatzaileen eta erreduzitzaileen eginkizunak eta elektrodo-potentzialaren kontzeptua ulertuz, baterien funtzionamendutik hasi eta prozesu industrial garrantzitsuetaraino doazen fenomenoak azal ditzakegu. Elektrokimika ez da testuliburuetako teoria bat soilik; egunero erabiltzen ditugun teknologia moderno askoren oinarrian dagoen zientzia da.
