En una batería nueva desconectada, ¿ya ocurrió una reacción química que causó un exceso de electrones en el extremo del ánodo?

REACCIÓN 1: Cuando compro una nueva celda alcalina desconectada, ¿ya ocurrió una reacción química en el extremo del ánodo que libera electrones en el extremo del ánodo?

REACCIÓN 2: Además, en el mismo nuevo estado desconectado de la batería, ¿ha ocurrido una reacción química en el extremo del cátodo que captura electrones del extremo del cátodo?

Después de pensar en esto, siento que mientras la REACCIÓN 1 ocurre en una batería nueva desconectada, la otra REACCIÓN 2 no ocurre ya que no hay electrones libres para capturar. Si la REACCIÓN 2 también ocurriera en una batería nueva desconectada, el electrolito se consumiría por completo y la batería moriría muy pronto cuando se conectara a un circuito externo.

Respuestas (1)

Ambas reacciones han tenido lugar, pero involucrando solo un número extremadamente limitado de electrones. En el cátodo, se han capturado electrones del conjunto del cátodo, incluido el terminal de metal. Pero se han capturado relativamente pocos electrones y, de hecho, se han liberado relativamente pocos en el ánodo.

La razón por la que solo están involucrados relativamente pocos (en relación con el número total de electrones libres en los conjuntos de ánodo y cátodo) es que aquellos en el ánodo establecen un campo eléctrico que se opone a que lleguen más electrones y apaga la reacción. De manera similar, la carga positiva en el conjunto del cátodo se opone a que se tomen más electrones del conjunto del cátodo y apaga la reacción del cátodo.

Como sabe, todo esto cambia cuando proporciona una ruta conductora externa entre el cátodo y el ánodo: ahora los electrones pueden escapar del conjunto del ánodo y viajar a través de la ruta conductora hasta el cátodo. Entonces, ahora la reacción en el ánodo puede continuar y los electrones se suministran al cátodo para que la reacción en ese electrodo también pueda continuar.

Pero en el extremo del ánodo no hay electrones libres, entonces, ¿cómo es que se pueden capturar electrones al reducir el material del cátodo? Los electrones libres solo estarían disponibles en el lado del cátodo cuando fluyen de ánodo a cátodo a través de un circuito externo conectado.
Los electrones se liberan en el ánodo dentro de la celda y se depositan en el conjunto del ánodo. Los electrones se toman del conjunto del cátodo para participar en la reacción en el cátodo.
Leí en alguna parte que en una batería alcalina, los electrones no pueden fluir del ánodo al cátodo debido a un material especial que rodea el electrolito en el extremo del ánodo que permite que pasen los iones pero no los electrones del ánodo. Estaba viendo un video en YouTube que se encuentra en este enlace youtu.be/PXNKkcB0pI4
Así es; son los iones los que viajan dentro del electrolito. [Si no recuerdo mal, el significado literal de 'ion' es viajero ].
El lector perezoso pregunta: ¿Puedes estimar la fracción de todos los electrones libres que constituyen los "pocos"? Habría adivinado del orden de 1E-6 pero no basado en ningún cálculo real.
¡Guau! ¡Eso no es fácil! Creo que lo que haría sería tomar un electrodo unido a un conductor esférico (radio 𝑅). ¡Eso es porque conocemos la capacitancia! En equilibrio, la carga (por ejemplo, 𝑄) estará justo en la superficie y podemos igualar el potencial a la fem ℰ debido a la reacción en el electrodo. Entonces 𝑄 = 4 𝜋 𝜖 0 𝑅 ℰ y el número de electrones involucrados será este dividido por 𝑒. Lo hago en el orden de 3 × 10 7 para una esfera de 10 cm de diámetro. Pero, por supuesto, la fracción de electrones libres del conjunto de electrodos que esto representa dependerá del espesor del metal.
@Philip Wood, la reacción en el extremo del cátodo es 2MnO2(s) + H2O(l) + 2e− → Mn2O3(s) + 2OH−(aq). Dado que los electrones liberados en el ánodo terminan por la reacción Zn(s) + 2OH−(aq) → ZnO(s) + H2O(l) + 2e− , no pueden alcanzar el ánodo cuando la batería alcalina está desconectada debido a la capa no permeable entre ánodo y electrolito, entonces, ¿dónde obtiene el cátodo 2 electrones para la reacción en su extremo?
"Entonces, ¿dónde está el cátodo obteniendo 2 electrones para la reacción en su extremo?" ¡Del propio conjunto de electrodos! ¡Es por eso que el conjunto de electrodos recibe una carga positiva! Pero esta carga muy positiva, cuando se vuelve lo suficientemente grande (que es en una pequeña fracción de segundo) detiene más electrones que salen del conjunto de electrodos para participar en la reacción. Entonces la reacción se detiene.
El material del cátodo es una forma de óxido de manganeso. Por lo que mencionaste en tu último comentario, los electrones provienen de este mismo material. Bien, eso tiene sentido. Creo que esta parte no se entendió claramente de su respuesta.
"los electrones provienen de este mismo material". y el terminal, etc. que se conecta al material del electrodo en sí. Es por eso que seguí escribiendo "ensamblaje [electrodo]".
@Philip Wood, publiqué otra pregunta en el foro de Química y recibí una respuesta diferente. Dijo que la reacción en el extremo del cátodo solo ocurre si hay una batería cableada, es decir, la otra mitad de una reacción química redox ocurre en una batería solo cuando está conectada a un circuito externo. Las reacciones redox ocurren en pares, por lo que los electrones ganados en una reacción son obtenidos por los electrones perdidos en la otra parte de la reacción redox.
La respuesta del foro de química que ha informado es una simplificación excesiva muy leve. Si ha entendido mi respuesta y mis comentarios, podrá ver por qué esto es así.
Tenga en cuenta la evidencia experimental: con una batería de celdas en serie, puede detectar las cargas en los terminales. La única forma plausible de explicar estas cargas es que se hayan tomado electrones de la terminal del cátodo para participar en la reacción del cátodo (de corta duración), y que se hayan depositado electrones en la terminal del ánodo de la reacción de corta duración en el ánodo.
En una batería nueva desconectada, ¿ya ocurrió una reacción química que causó un exceso de electrones en el extremo del ánodo?
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