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

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

Sin embargo, ¿por qué se desarrollaron esos copos en la celda y por qué la batería no suministró suficiente energía antes de retirar los copos?

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

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

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Una palabra sobre la 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 denomina conducción eléctrica. Este flujo direccional de portadores de carga con el tiempo se denomina corriente eléctrica. La conductividad es una propiedad intrínseca (que depende únicamente de su estructura interna) y se cuantifica de la siguiente manera:

conductividad de un material,

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

donde,

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 desde el marrón anaranjado hasta el rojo. Rust es el nombre general que se refiere a todos estos óxidos de hierro e hidróxidos de hierro.

Reacción química

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

La reacción para la formación de óxido consiste en varias sub-reacciones que dictan la velocidad de reacción y la formación de óxido. Esta es una reacción redox donde 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 superiores de hierro.

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 gratuitos, entonces no fluirá corriente al aplicar voltaje.

Sobre el 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 atracción electrostática entre los dos iones de carga opuesta. Esta atracción mantiene a los iones cerca, y este enlace se llama enlace iónico. Los compuestos formados por la transferencia de electrones de un metal a un no metal se denominan compuestos iónicos.

La fuerza de atracción electrostática entre los 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 tienen libertad para moverse y, por lo tanto, conducen la electricidad. Sin embargo, cuando están en fase sólida, los iones no tienen libertad para moverse y, en cambio, se unen fuertemente para formar cristales. La tendencia de los iones/portadores de carga a moverse en presencia de voltaje se denomina movilidad.

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

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