Una pila galvánica es un dispositivo que convierte energía química en energía eléctrica mediante una reacción redox espontánea. La pila Daniell es el ejemplo más clásico y el más estudiado en Bachillerato y Selectividad. En este artículo aprenderás cómo funciona una pila galvánica, qué es la fuerza electromotriz y cómo calcularla.
¿Qué es una pila galvánica?
Una pila galvánica aprovecha una reacción de oxidación-reducción espontánea (ΔG < 0) para generar corriente eléctrica. A diferencia de la electrólisis, donde se consume electricidad para forzar una reacción no espontánea, en una pila galvánica la reacción ocurre de forma natural y produce electricidad.
Componentes de una pila galvánica
Toda pila galvánica tiene estos elementos esenciales: dos electrodos (ánodo y cátodo), dos semiceldas con sus electrolitos, un puente salino y un circuito externo que conecta los electrodos.
El ánodo es el electrodo negativo donde ocurre la oxidación. El metal se disuelve cediendo electrones al circuito externo. El cátodo es el electrodo positivo donde ocurre la reducción. Los iones en disolución ganan electrones y se depositan sobre el electrodo.
El puente salino es un tubo con una solución de sal (generalmente KCl o KNO₃) que mantiene la neutralidad eléctrica de ambas semiceldas permitiendo el paso de iones pero no de electrones.
La pila Daniell
La pila Daniell es la pila galvánica más estudiada en Bachillerato. Está formada por:
Semicelda del zinc (ánodo): una lámina de zinc (Zn) sumergida en una solución de sulfato de zinc (ZnSO₄). El zinc se oxida y cede electrones: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻
Semicelda del cobre (cátodo): una lámina de cobre (Cu) sumergida en una solución de sulfato de cobre (CuSO₄). Los iones Cu²⁺ se reducen y se depositan sobre el electrodo: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
La reacción global que tiene lugar en la pila Daniell es: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu
Esta reacción es espontánea porque el zinc tiene mayor tendencia a oxidarse que el cobre, es decir, el zinc es un reductor más fuerte que el cobre.
Notación de celda
En Selectividad es habitual que te pidan escribir la notación de celda de una pila galvánica. La notación estándar es:
Ánodo | electrolito ánodo || electrolito cátodo | Cátodo
Para la pila Daniell: Zn (s) | ZnSO₄ (ac, 1M) || CuSO₄ (ac, 1M) | Cu (s)
La doble barra vertical (||) representa el puente salino. La barra simple (|) representa la interfase entre el electrodo y el electrolito.
Fuerza electromotriz (fem)
La fuerza electromotriz o fem es la diferencia de potencial entre los dos electrodos cuando no circula corriente. Se calcula a partir de los potenciales estándar de reducción de cada electrodo: fem = E°(cátodo) − E°(ánodo)
Los potenciales estándar de reducción se miden respecto al electrodo estándar de hidrógeno (E° = 0 V). Algunos valores importantes:
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu: E° = +0,34 V
Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn: E° = −0,76 V
Para la pila Daniell: fem = +0,34 − (−0,76) = +1,10 V
Si la fem es positiva, la reacción es espontánea y la pila funciona. Si fuera negativa, la reacción sería no espontánea y los electrodos deberían invertirse.
Relación entre fem y energía libre de Gibbs
La espontaneidad de una pila galvánica se puede expresar mediante la energía libre de Gibbs: ΔG° = −n · F · fem
Donde n es el número de moles de electrones transferidos, F es la constante de Faraday (96.500 C/mol) y fem es la fuerza electromotriz en voltios.
Para la pila Daniell: ΔG° = −2 × 96500 × 1,10 = −212.300 J/mol = −212,3 kJ/mol
El valor negativo confirma que la reacción es espontánea.
Diferencia entre pila galvánica y electrólisis
La diferencia fundamental es la espontaneidad de la reacción. En una pila galvánica la reacción redox es espontánea y produce electricidad. En la electrólisis la reacción no es espontánea y necesita electricidad para producirse. En ambos casos el ánodo es donde ocurre la oxidación y el cátodo donde ocurre la reducción, pero en la pila galvánica el ánodo es negativo y en la electrólisis es positivo.
Lo que debes saber para Selectividad
Los aspectos más evaluados en Selectividad sobre pilas galvánicas son: identificar el ánodo y el cátodo y las semirreacciones que ocurren en cada uno, calcular la fem a partir de los potenciales estándar de reducción, escribir la notación de celda correctamente con la doble barra del puente salino, calcular la energía libre de Gibbs a partir de la fem usando ΔG° = −nFE, y distinguir entre pila galvánica (espontánea) y electrólisis (no espontánea).
El error más frecuente en Selectividad es confundir el signo del ánodo. Recuerda: en una pila galvánica el ánodo es negativo (cede electrones al circuito) y el cátodo es positivo (recibe electrones del circuito).
Conclusión
La pila galvánica transforma la energía de una reacción redox espontánea en electricidad. La pila Daniell es el ejemplo más claro: el zinc se oxida en el ánodo, el cobre se reduce en el cátodo, los electrones viajan por el circuito externo y el puente salino mantiene el equilibrio de cargas. Con la fem de 1,10 V y la relación ΔG° = −nFE puedes resolver cualquier problema de este tipo en Selectividad. Si quieres seguir practicando con electroquímica, no te pierdas el artículo sobre electrólisis del agua y los ejercicios de reacciones redox disponibles en Químicaweb.