¿Por qué el óxido es un mal conductor de electricidad?

Si alguna vez usó baterías viejas para alimentar un dispositivo, es posible que haya notado que no siempre alimentan lo suficiente el artículo. En una inspección más cercana, incluso puede encontrar copos de color rojo anaranjado que cubren los terminales. Después de quitar estas escamas, el dispositivo debería funcionar bien.

Sin embargo, ¿por qué se desarrollaron esas escamas en la celda y por qué la batería no suministró suficiente energía antes de quitar las escamas?

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Los terminales oxidados pueden provocar un circuito abierto. (Crédito de la foto: veinte20)

La rama de la ciencia que responde a estas preguntas es la electroquímica.

Unas palabras sobre conducción

La propiedad de la materia que permite un flujo direccional de portadores de carga eléctrica debido a la aplicación de una diferencia de potencial se llama conducción eléctrica. Este flujo direccional de portadores de carga con el tiempo se llama corriente eléctrica. La conductividad es una propiedad intrínseca (que depende solo de su estructura interna) y se cuantifica de la siguiente manera:

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, es la corriente que fluye a través de una muestra de 1 m de largo y 1 m2 de sección transversal cuando se aplica un voltaje unitario (1 voltio). Matemáticamente, la relación se expresa de la siguiente manera:

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dónde,

I = corriente (medida como salida)

V = voltaje aplicado (entrada)

l = longitud de la muestra

a = área de la sección transversal

Dado que la conducción es una medida del flujo de cargas, solo aquellos materiales que contienen portadores de carga libres (iones, electrones, protones) pueden conducir electricidad.

Química del óxido

El óxido es el producto químico de una reacción redox entre el hierro metálico y el oxígeno en presencia de agua, que actúa como catalizador (acelera la velocidad de reacción). El hierro se oxida a varios óxidos de hierro, que van del color marrón anaranjado al rojo. Rust es el nombre general que se refiere a todos estos óxidos e hidróxidos de hierro.

Reacción química

El químico de la ilustración del óxido.  La oxidación es un óxido de hierro o un término común para la corrosión.  Se formó por la reacción redox de oxígeno, agua y hierro y sus aleaciones, ej.  acero.

Reacción química del óxido. (Crédito de la foto: Sansanorth / Shutterstock)

La reacción para la formación de óxido consta de varias sub-reacciones que dictan la velocidad de reacción y la formación de óxido. Esta es una reacción redox en la que el hierro se oxida y el oxígeno se reduce. Los reactivos involucrados son hierro metálico (Fe), oxígeno gaseoso de la atmósfera (O2) y vapor de agua / humedad (H2O).

  • Fe (s) ——> Fe2 + (aq) + 2e–: En este paso, el hierro sólido pierde dos electrones (se oxida) en presencia de humedad.
  • 4Fe2 + (aq) + O2 ——> 4Fe3 + + 2O2-: Se produce una mayor oxidación de Fe2 + debido a la presencia de oxígeno atmosférico
  • O2 + 4 e− + 2H2O ——> 4 OH−: Los electrones liberados por la oxidación del Fe reducen el oxígeno a OH–
  • Fe2 + + 2H2O ⇌ Fe (OH) 2 + 2H +: Los iones Fe2 + en el agua se hidratan a Fe (OH) 2
  • Fe3 + + 3H2O ⇌ Fe (OH) 3 + 3 H +: Los iones Fe3 + en el agua se hidratan a Fe (OH) 3
  • Fe (OH) 2 ——> FeO + H2O: Cuando se elimina el agua (deshidratación), se forman FeO y Fe2O3
  • 2FeO ——> Fe2O3 + H2O

El óxido es el término general para Fe (OH) 2, Fe (OH) 3, FeO, Fe2O3 y óxidos e hidróxidos de hierro superiores.

Naturaleza de los enlaces químicos

Recuerde que la conductividad es una propiedad que resulta del movimiento ordenado de los portadores de carga debido al voltaje. Los portadores de carga pueden ser iones, electrones o protones. Si no existen portadores de carga gratuita, entonces no fluirá corriente con la aplicación de voltaje.

Acerca del enlace iónico

Fe (OH) 2, Fe (OH) 3, FeO y Fe2O3 son todos compuestos iónicos. Los compuestos iónicos se forman cuando un átomo metálico (Fe) dona electrones a un átomo no metálico. El átomo metálico gana una carga positiva y el átomo no metálico gana una carga negativa, lo que resulta en la formación de iones. Esto provoca una atracción electrostática entre los dos iones con carga opuesta. Esta atracción mantiene los iones cerca, y este enlace se llama enlace iónico. Los compuestos formados debido a la transferencia de electrones de un metal a otro no metálico se denominan compuestos iónicos.

Compuesto iónico

La fuerza de atracción electrostática entre iones es lo suficientemente fuerte como para mantenerlos sólidos a temperatura ambiente. (Crédito de la foto: OSweetNature / Shutterstock)

¿Por qué el óxido es un aislante?

Cuando están en una solución acuosa, en forma fundida o gaseosa, los iones pueden moverse libremente, conduciendo así la electricidad. Sin embargo, cuando están en fase sólida, los iones no se mueven libremente y, en cambio, se unen fuertemente para formar cristales. La tendencia de los iones / portadores de carga a moverse en presencia de voltaje se llama movilidad.

Dado que la conductividad surge debido al movimiento de los portadores de carga, existe una velocidad característica, llamada velocidad de deriva, Vd, con la que se mueven los portadores de carga. Cuanto mayor es la velocidad de deriva, mayor es la corriente. Además, un voltaje produce un campo eléctrico, E. La movilidad se define en términos de Vd y E como:

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Dado que los iones no pueden moverse libremente en cristales sólidos, ¡el óxido no puede conducir la electricidad!