ELECTROQUIMICA
CONDUCTIVIDAD ELECTRICA
METALES Y CONDUCTIVIDAD
SUPERCONDUCTIVIDAD
ELECTROLITOS Y IONES
IMPULSO NERVIOSO

ELECTROQUIMICA

Los combustibles fósiles, madera, radiación solar, agua en movimiento, fisión y fusión nucleares son las fuentes de energía que se utilizan en el mundo contemporáneo. La electricidad es un factor importante para numerosas actividades, se emplea para producir luz y calor; sin embargo, este fenómeno es sólo un efecto producido por la electricidad ya que el tungsteno o wolframio del filamento de un foco, luce blanco y caliente, pero continúa siendo tungsteno o wolframio del filamento; después de su uso prolongado el filamento se debilita y parte de éste se habrá evaporado por el intenso calor no por la electricidad. De la misma manera, cuando la electricidad pasa a través de la resistencia de una estufa eléctrica, el metal se pone incandescente pero no cambia; es decir, la corriente eléctrica que pasa a través del conductor no produce cambio químico (aunque el tungsteno en las resistencias para parrilla se combina lentamente con el oxígeno del aire y se forma óxido de tungsteno).

CONDUCTIVIDAD ELECTRICA DE LOS MATERIALES

Una carga eléctrica colocada en un campo eléctrico se mueve porque actúa sobre ella una fuerza. Los átomos en los sólidos están ligados en una estructura cristalina por intensas fuerzas eléctricas y sólo pueden vibrar alrededor de sus posiciones. Si el sólido es un conductor tendrá un gran número de electrones que no están estrechamente unidos con libertad de movimiento. Estos electrones se conocen como electrones de valencia. Como un sólido es prácticamente un espacio vacío, sus electrones se mueven en el interior desordenadamente, en cambio, si se le somete a la acción de un campo eléctrico se produce un desplazamiento real y ordenado de electrones llamado corriente eléctrica. Al hablar de sólidos se hace referencia a los metales, la mayoría de los cuales conducen la electricidad (siendo el cobre uno de los mejores).

Ahora bien, no sólo en éstos existen cargas eléctricas libres, también los hay en los electrólitos, disoluciones que contienen iones positivos y negativos procedentes de las sustancias disueltas. La corriente eléctrica en los líquidos se diferencia de la de los sólidos metálicos, en que hay un doble desplazamiento de iones en lugar de electrones; además, en los líquidos se produce una transformación química, mientras que en un conductor metálico permanece inalterado al circular la corriente eléctrica.

Los gases, a diferencia de un metal o de un electrólito, no tienen cargas libres que puedan desplazar por acción del campo eléctrico. Los gases son, en general, malos conductores de la corriente eléctrica. La producción de electricidad de manera espontánea a partir de reacciones químicas, pertenece a la electroquímica.

METALES Y CONDUCTIVIDAD ELECTRICA

Dentro de las propiedades típicas de los metales está el ser buenos conductores eléctricos; como: oro (Au), plata (Ag), cobre (Cu) y aluminio (Al). En estos metales la corriente se transporta por medio de cargas negativas llamadas electrones. Los metales en estado sólido mantienen sus átomos unidos impidiendo su fácil desplazamiento; sin embargo, los electrones más externos (electrones de valencia) dejan de pertenecer a éstos, para formar parte de una nube (red cristalina) en la superficie metálica. La corriente eléctrica se produce cuando los electrones de un metal adquieren mayor libertad de movimiento a través de todo el material. Debido a que los electrones de valencia son los más alejados de la fuerza de atracción del núcleo del átomo y tienen el nivel de energía mayor, son los que se mueven de manera más fácil.

Cuando se aplica suficiente energía a un trozo conductor como en el caso de la plata (Ag) y el cobre (Cu), los electrones de valencia se desplazan con mayor facilidad; por lo general, los átomos que tienen menos electrones de valencia podrán desplazarse con mayor facilidad. Por esta razón y su bajo costo, el cobre (Cu) es uno de los elementos que se utiliza con mayor frecuencia en instalaciones eléctricas de casas e industrias. Para obtener una corriente eléctrica, los electrones de valencia del cobre deben moverse en la misma dirección y no al azar. Si se quiere mantener un flujo sostenido de cargas en un conductor, es necesario introducir electrones por uno de sus extremos y extraerlos por el otro con igual rapidez; por consiguiente, la corriente eléctrica seguirá fluyendo a través del alambre de cobre. Es importante mencionar que a medida que la temperatura se eleva, aumentan las vibraciones de los electrones de valencia, por lo que la conductividad de los metales disminuye; por el contrario, cuando la temperatura disminuye la conductividad aumenta, como en la superconductividad.

Los aislantes o dieléctricos son materiales que no dejan que sus electrones se muevan fácilmente, ya que están ligados firmemente a sus átomos y permanecen en ellos. No tienen libertad de moverse a otros átomos del material; tales materiales son malos conductores de la corriente eléctrica; por lo que de, manera general, se puede decir que un aislante o dieléctrico, es lo contrario de un conductor eléctrico; como: porcelana, hule y vidrio.

SUPERCONDUCTIVIDAD

Un material se considera como superconductor cuando no ofrece resistencia al paso de la corriente eléctrica. En esta circunstancia, una corriente eléctrica puede recorrer un hilo superconductor sin que exista batería y teóricamente por tiempo indefinido. El fenómeno de la superconductividad fue descubierto por el físico holandés Kemmerling Onnes (Keike). En 1911 consiguió licuar el helio (He) a –269 ºC y al sumergir mercurio (Hg) en él, adquirió éste propiedades superconductoras. Debido a dicho descubrimiento recibe el premio Nobel de Física, en 1913.

El sueño de todos los físicos teóricos era encontrar un material superconductor a temperatura ambiente; si éste se lograba, su aplicación al movimiento de trenes mediante imanes superconductores y al transporte de electricidad sin pérdidas de energía, sería inmediato y sus repercusiones económicas inmensas. De 1911 a 1986, se avanzó relativamente poco, en estos intentos, debido a su elevado costo; pero en 1987, se descubrió un material cerámico formado por óxidos metálicos de cobre (Cu) y bario (Ba) con una temperatura de 35 ºK. Se continúa investigando éste y otros materiales para avanzar hacia la superconductividad a temperatura ambiente

ELECTROLITOS Y IONES

A principios del siglo XIX, Michael Faraday (1791-1867) notable físico y químico inglés, nacido en Newington, Inglaterra, descubrió que las disoluciones acuosas de ciertas sustancias conducían corriente eléctrica, mientras que el agua destilada no lo hacía y formuló las leyes de la electrólisis las cuales llevan su nombre.

Faraday llamó electrólisis a las sustancias cuyas disoluciones acuosas conducían la corriente eléctrica y no electrólitos a las disoluciones que no conducían electricidad. El agua destilada conduce corriente eléctrica porque no contiene sales en disolución; sin embargo, al agregar sustancias como cloruro de sodio, hidróxido de sodio o ácido sulfúrico, la disolución se hace conductora.

La conductividad eléctrica de las disoluciones de electrólitos se debe a que éstas contienen iones positivos y negativos procedentes de las sustancias disueltas que se mueven a través de la disolución.

Faraday designó ánodo al electrodo positivo y cátodo al negativo por donde se hacía pasar la corriente eléctrica. Al cerrar el circuito, los iones positivos o cationes emigran al electrodo negativo o cátodo y los iones negativos o aniones al electrodo positivo o ánodo. En la disolución hay un movimiento de iones.

Este movimiento constituye la corriente eléctrica. Las disoluciones son menos conductoras de la electricidad que los metales; por ejemplo, la plata (Ag) metálica es un buen conductor, tiene una conductividad de 600 000 (6 x 105) ohm-1 (inverso de la resistencia al paso de la corriente eléctrica), mientras que la conductividad de disoluciones como el cloruro de sodio y el ácido clorhídrico es aproximada a 0.01 (10-2) ohm-1 dependiendo de la concentración; para el agua destilada es 0.000 000 000 000 01 (10-14) ohm-1.

IMPULSO NERVIOSO. IONES EN ACCION

Claudio Galeno (131?-201?), médico griego, afirmaba que las contracciones musculares se realizaban a través de los nervios que venían del cerebro. Posteriormente Luigi Galvani (1737-1798), físico y médico italiano, fue el primero en investigar el flujo de la corriente eléctrica en el sistema nervioso. La investigación científica ha continuado y ciencias experimentales como la biología y la química han evolucionado en forma coordinada en algunos aspectos. Es el caso de la neuroquímica, que se ocupa de estudiar los mecanismos químicos específicamente relacionados con el funcionamiento del sistema nervioso.

Se sabe que las sales minerales en disolución son indispensables en los procesos de los seres vivos, sobre todo, en los mecanismos de transporte entre membranas celulares. Esto es especialmente importante en la transmisión de los impulsos de una neurona a otra.

Cada nervio es un haz de fibras, prolongaciones en forma de hilos de las células nerviosas denominadas neuronas, por éstas circulan impulsos que en parte son de naturaleza eléctrica. Sin embargo, un nervio no actúa como un cable telefónico que propaga pasivamente los estímulos que percibe, puede además reaccionar al estímulo y producir una respuesta.

Una de las funciones de la membrana de las neuronas consiste en separar dos disoluciones de electrólitos de composición química diferente y que conducen la electricidad. La neurona en su parte exterior presenta mayor concentración de iones sodio, cloruro y en su interior predominan los iones potasio y algunos iones orgánicos de gran tamaño. A través de la membrana los iones potasio salen de la neurona y los iones sodio entran en ella (en relación aproximada de 2 a 1), provocando que el interior de la neurona se despolarice.

Esto ocasiona que la polaridad de la membrana se invierta. Cuando la membrana de la célula es estimulada por alguna sustancia química o una presión mecánica, abre sus canales, que permiten el ingreso de los cationes sodio que neutralizan la carga negativa interna de ésta. Al invertirse la polaridad de la membrana, queda la neurona cargada negativamente en su exterior y las células que no recibieron el estímulo permanecerán en estado de reposo. De esta manera se establece una corriente eléctrica entre una membrana y las otras, con lo cual se transmite el mensaje de la respuesta a la estimulación.

El impulso pasa de un nervio a otro en forma discontinua por medio de la sinapsis. Normalmente en la sinapsis, las dendritas de una neurona encuentran el axón de la siguiente, pero si bien se encuentran muy cerca, no llegan a entrar en contacto. El paso del impulso, por tanto, depende de la presencia de mediadores químicos como la acetilcolina y adrenalina (neurotransmisores).

La conducción es más rápida y eficiente en las fibras mielinizadas, es decir, en aquellas que están revestidas por una funda aislante de una sustancia grasosa llamada mielina. Esta capa se interrumpe a intervalos regulares para permitir el tránsito de los iones en el proceso de la conducción de los impulsos. Cabe señalar que cuando existen anomalías en la transmisión de los impulsos nerviosos, se presentan enfermedades como ciertos casos de epilepsia, mal de Parkinson y Alzheimer.

Profr. Ricardo Caudillo S.