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La conductividad
eléctrica es la capacidad de una sustancia para permitir el transporte
ordenado de carga eléctrica cuando se aplica una diferencia de
potencial. Su símbolo habitual es κ y su unidad en el Sistema Internacional es
el siemens por metro, S/m. Una sustancia conduce cuando posee partículas
capaces de responder al campo eléctrico y desplazarse de manera coordinada.
Según el material, estos portadores pueden ser electrones, iones
positivos, iones negativos o, en ciertos sólidos, huecos
electrónicos. La conductividad no depende solamente de que existan partículas
cargadas: también depende de cuántas haya por unidad de volumen, de la carga
que posean y de qué tan libremente puedan moverse.
Figura 1. [Jaroslav
Heyrovský] fue un químico checo que creó la polarografía,
técnica para analizar sustancias mediante cambios de corriente eléctrica
y voltaje. Estudió en Praga y Londres, y trabajó con el electrodo de
mercurio de gotas. En 1959 recibió el Premio Nobel de Química. Su
método impulsó el análisis de iones, reacciones de oxidación-reducción
y muestras químicas complejas.
Figura 2. [Mária
Telkes] fue una científica húngaro-estadounidense, pionera de la energía
solar. Diseñó un destilador solar portátil para producir agua
potable y participó en la Dover Sun House, calentada con energía
solar. Investigó el almacenamiento térmico mediante sulfato de sodio
decahidratado y desarrolló patentes sobre desalinización, cocinas solares y
materiales sostenibles.
Es necesario
diferenciar la conductividad de otras magnitudes próximas. La conductancia
describe qué tan fácilmente circula la corriente a través de una muestra
concreta y depende de sus dimensiones; por ejemplo, un recipiente más ancho
permite el paso de más corriente que uno muy estrecho, incluso si contienen la
misma disolución. La conductividad específica, κ, es una propiedad
propia del material o de la disolución. Por su parte, la conductividad molar
relaciona la capacidad de conducción con la cantidad de electrolito disuelto.
Esta última resulta especialmente útil para comparar disoluciones de diferente
concentración y comprender lo que muestra la gráfica de una sal como el sulfato
de magnesio.
La conducción
eléctrica tampoco es una propiedad fija e invariable. La temperatura, la
presión, la concentración, el estado físico y la estructura microscópica
modifican la movilidad de los portadores de carga. Un metal puede conducir muy
bien en estado sólido; una sal cristalina puede ser aislante cuando sus iones
permanecen atrapados en una red rígida, pero conductora al fundirse o
disolverse en agua. El agua pura conduce poco, mientras una disolución de sal,
ácido o base puede hacerlo con mucha mayor facilidad. Comprender qué partículas
se desplazan permite explicar estas diferencias sin reducir la conductividad a
una simple etiqueta de “conductor” o “aislante”.
Tipos de conductividad eléctrica
La conductividad
metálica es la característica de metales como cobre, aluminio, plata o
hierro. En estos materiales, los electrones de valencia no permanecen asociados
exclusivamente a un átomo particular, sino que ocupan estados electrónicos
extendidos por toda la red metálica. Cuando se conecta una pila, esos
electrones responden al campo eléctrico y se produce una corriente. Por esta
razón, los cables eléctricos se construyen con metales: no necesitan disolverse
ni sufrir una reacción química para transportar carga. Sin embargo, la
resistencia de un metal suele aumentar al calentarlo, porque las vibraciones de
sus átomos dificultan el movimiento ordenado de los electrones.
Figura 3. En los metales, la [corriente
eléctrica] surge del desplazamiento neto, lento, de electrones
deslocalizados. La señal eléctrica se establece rápidamente porque se
propaga el campo eléctrico, no porque un electrón atraviese todo el
cable. La carga equivalente describe la misma cantidad de carga
transferida en cada sección, aunque intervengan electrones distintos.
La conductividad
semiconductora se presenta en sustancias como silicio, germanio y numerosos
materiales empleados en dispositivos electrónicos. Estos sólidos no se
comportan como buenos conductores metálicos ni como aislantes perfectos. Su
conductividad puede aumentar por acción de la temperatura, la luz o la
incorporación controlada de impurezas químicas. En este caso pueden intervenir
electrones y huecos, que representan regiones de la estructura sólida
donde falta un electrón y que se comportan como portadores de carga positiva.
Los transistores, los paneles solares y numerosos sensores dependen de esta
capacidad de controlar el movimiento de carga mediante la composición y la
estructura del material.
La conductividad
iónica ocurre cuando cationes y aniones pueden cambiar de posición. Se
presenta en sales fundidas, algunos sólidos especializados y, sobre todo, en
disoluciones de electrolitos. En una sal fundida como el cloruro de sodio
líquido, los iones Na⁺ y Cl⁻ ya no están fijos en una red cristalina rígida,
por lo que pueden desplazarse. En una disolución acuosa, los iones son rodeados
por moléculas de agua y pueden migrar cuando se aplica un campo eléctrico. Esta
conducción es fundamental en baterías, electrólisis, corrosión, celdas
electroquímicas y análisis de aguas.
Existen además
fenómenos más particulares, como la superconductividad, en la cual
ciertos materiales presentan resistencia prácticamente nula bajo condiciones
específicas de temperatura y campo magnético. Aunque este fenómeno pertenece
principalmente a la física de materiales, sirve para recordar que la conducción
depende de cómo se comportan las partículas a escala microscópica. En química,
los casos más relevantes para comprender sustancias y reacciones son la
conducción gaseosa y la conducción iónica en disoluciones.
Conductividad en gases poco densos y tubos de descarga
En condiciones
normales, los gases suelen ser malos conductores. Un recipiente lleno de aire,
neón o argón contiene átomos y moléculas eléctricamente neutros; por ello, no
existen suficientes partículas cargadas que transporten una corriente
sostenida. Sin embargo, la situación cambia dentro de un tubo de descarga.
Si se reduce la presión del gas y se aplica una diferencia de potencial elevada
entre dos electrodos, algunos electrones pueden acelerarse y chocar contra las
partículas gaseosas con suficiente energía para arrancarles electrones.
Este proceso se
denomina ionización. A partir de átomos o moléculas inicialmente neutros
se forman electrones libres y cationes. También pueden originarse partículas
excitadas, es decir, especies cuyos electrones han absorbido energía sin
abandonar completamente el átomo. El gas se convierte entonces parcialmente en
un plasma, una mezcla de partículas neutras, electrones, cationes y
especies excitadas. Como ahora existen portadores de carga móviles, el tubo
permite el paso de corriente eléctrica.
Figura 4. En un [tubo
de descarga], los electrones viajan del cátodo al ánodo
y pueden moverse mucho más rápido que la lenta deriva electrónica en un metal.
La corriente convencional tiene sentido opuesto. La carga equivalente
expresa cuánta carga transporta cada portador. El campo eléctrico
acelera y organiza esos movimientos dentro del gas parcialmente ionizado del
tubo.
La presión baja es
decisiva para que la descarga se mantenga. Cuando el gas es demasiado denso,
los electrones chocan tan frecuentemente que no consiguen acelerar lo
suficiente entre un choque y otro. Cuando el gas es excesivamente poco denso,
hay muy pocas partículas disponibles para producir y sostener la ionización.
Existe, por tanto, un intervalo de presión en el cual el gas puede conducir con
eficacia. Este equilibrio depende también del voltaje aplicado, del tipo de gas
y de la distancia entre los electrodos.
Los tubos de neón,
las lámparas fluorescentes y ciertos espectrómetros aprovechan este fenómeno.
Cuando una especie excitada regresa a un estado de menor energía, emite
radiación electromagnética. Como cada elemento posee niveles de energía
característicos, la luz emitida puede revelar su identidad química. La
conducción gaseosa no consiste en que un gas neutro se vuelva metálico, sino en
la formación temporal de una mezcla ionizada cuyas partículas cargadas
responden al campo eléctrico.
Conductividad en disoluciones acuosas
La conductividad
acuosa aparece cuando una disolución contiene iones móviles. El agua pura
presenta una conductividad baja porque solamente posee cantidades muy pequeñas
de H₃O⁺ y OH⁻, generadas por su autoionización. Al disolver un ácido, una base
o una sal, la cantidad de especies cargadas aumenta y la disolución puede
transportar corriente con mayor facilidad. Por ejemplo, el cloruro de sodio
disuelto produce Na⁺(aq) y Cl⁻(aq), mientras el sulfato de magnesio puede
producir Mg²⁺(aq) y SO₄²⁻(aq).
Los símbolos “(aq)”
indican que los iones se encuentran en un medio acuoso. No significa que estén
desnudos ni aislados: cada ion queda rodeado por moléculas de agua orientadas
según sus cargas parciales. El oxígeno del agua, con densidad electrónica relativamente
alta, se orienta hacia los cationes; los hidrógenos, relativamente deficientes
en densidad electrónica, se orientan hacia los aniones. Este proceso recibe el
nombre de hidratación, una forma particular de solvatación. La capa de
hidratación estabiliza los iones, pero también influye en su tamaño efectivo y
en su movilidad.
Cuando se aplica
una diferencia de potencial, los cationes hidratados se desplazan hacia el
electrodo negativo, llamado cátodo, mientras los aniones hidratados se dirigen
hacia el electrodo positivo, llamado ánodo. Aunque las dos clases de iones se
mueven en sentidos opuestos, ambas contribuyen al mismo sentido de la corriente
convencional. Un ion positivo que avanza hacia el electrodo negativo y un
ion negativo que avanza hacia el electrodo positivo equivalen, desde el punto
de vista eléctrico, al transporte continuo de carga en una sola dirección.
Dentro de la
disolución no circulan electrones libres como en un cable de cobre. Los
electrones pueden transferirse en las superficies de los electrodos durante las
reacciones de oxidación y reducción, pero el líquido mantiene la corriente
mediante la migración de especies químicas cargadas. Esta diferencia explica
por qué una celda electroquímica necesita tanto un circuito metálico externo
como una disolución o puente salino interno: los electrones transportan carga
por el metal y los iones preservan la neutralidad eléctrica dentro de la fase
líquida.
Concentración, solubilidad y cantidad de iones
La solubilidad
es la cantidad máxima de soluto que puede disolverse en una cantidad
determinada de disolvente bajo condiciones definidas de temperatura y presión.
Si se añade una sal soluble al agua, sus partículas pueden separarse e
interactuar con las moléculas del disolvente. Mientras continúe disolviéndose,
aumenta la concentración de especies presentes en la fase acuosa. Cuando se
alcanza la saturación, el exceso de soluto permanece como sólido y ya no
incrementa de manera apreciable la cantidad de iones disueltos.
En una disolución
diluida de MgSO₄, los iones Mg²⁺ y SO₄²⁻ están relativamente separados entre
sí. Cada uno posee su capa de hidratación y experimenta menos interferencia
directa de los demás iones. Al añadir inicialmente más sal, aumenta el número
de portadores de carga por unidad de volumen. Por esta razón, la conductividad
específica suele aumentar al comienzo: hay más iones capaces de responder
al campo eléctrico y contribuir a la corriente.
Sin embargo, no
basta con contar partículas. Una disolución muy concentrada contiene más iones,
pero cada ion encuentra un entorno más congestionado. Las capas de hidratación
pueden solaparse, las interacciones electrostáticas se vuelven más intensas y el
medio puede adquirir mayor viscosidad. En consecuencia, los iones encuentran
mayor dificultad para desplazarse. La relación entre concentración y conducción
resulta, por tanto, de una competencia entre dos efectos: el aumento de la
cantidad de portadores y la disminución de su movilidad.
Figura 5. [Conductividad
molar]. Una disolución ideal diluida contiene partículas
suficientemente separadas para interactuar poco, de modo semejante al límite de
un gas ideal. Esta aproximación permite relacionar la fase gaseosa con
la disuelta mediante la ley de Henry. En electroquímica, la carga
equivalente conserva el balance de electrones entre semirreacciones; los
electrones presentan velocidad de deriva lenta, mientras el campo
eléctrico se propaga rápidamente.
La gráfica debe
leerse considerando esta competencia. Si representa conductividad molar,
el valor suele ser máximo para la disolución idealmente diluida. En ese límite,
cada unidad fórmula del electrolito aporta iones que se mueven con muy poca
influencia de otras especies cargadas. Al aumentar la concentración, la
conductividad molar disminuye porque, aunque el volumen contenga más iones,
cada mol de electrolito contribuye menos eficientemente a la conducción. La
disolución de baja concentración no conduce necesariamente más corriente total
que una disolución moderadamente concentrada; conduce con mayor eficiencia por
cada cantidad equivalente de electrolito añadido.
Factor de van’t Hoff y movilidad iónica
El factor de
van’t Hoff, i, representa el número efectivo de partículas que un soluto
origina en disolución en comparación con una sustancia que no se disocia. En un
modelo ideal, el sulfato de magnesio se expresa como MgSO₄ → Mg²⁺ + SO₄²⁻. Por
cada unidad fórmula se originan dos especies iónicas, de modo que su valor
ideal sería i = 2. Este factor ayuda a explicar por qué los electrolitos
producen efectos importantes sobre propiedades como el descenso crioscópico, la
presión osmótica y la conductividad: generan más partículas que una sustancia
molecular no electrolítica disuelta a la misma concentración.
Pero i = 2 no
garantiza que la conductividad real sea exactamente el doble de la
correspondiente a un soluto molecular. La conducción depende también de la carga
iónica y, sobre todo, de la movilidad. Mg²⁺ transporta una carga positiva
equivalente a dos cargas elementales, mientras SO₄²⁻ transporta una carga
negativa equivalente a dos cargas elementales. Sin embargo, ambos se encuentran
hidratados y experimentan fuerzas de atracción con otros iones. La carga
elevada favorece el transporte de carga por cada ion, pero también intensifica
las interacciones electrostáticas que pueden reducir la libertad de movimiento.
En una disolución
concentrada de MgSO₄ pueden formarse pares iónicos o asociaciones temporales
entre Mg²⁺ y SO₄²⁻. Cuando ambos se aproximan mucho, la carga neta del conjunto
puede ser cercana a cero. Una entidad de este tipo contribuye menos a la conducción
que dos iones libres que se desplazan independientemente. Además, las
interacciones entre iones de carga doble son más intensas que entre iones de
carga simple, por lo que las desviaciones respecto al comportamiento ideal
pueden ser importantes.
Por ello, la
disolución ideal o de concentración muy baja representa el caso más favorable
para la conductividad molar. Los iones están suficientemente separados
para actuar casi de manera independiente, sus capas de hidratación interfieren
menos entre sí y la asociación iónica es menos probable. A medida que aumenta
la concentración, la cantidad total de iones puede elevar la conductividad
específica hasta cierto punto, pero la eficiencia de cada mol de electrolito
disminuye por la pérdida de movilidad y por la aparición de interacciones no
ideales.
Iones, electrones y rapidez del fenómeno eléctrico
Un electrón posee
una carga de −1,602 176 634 × 10⁻¹⁹ C, mientras un protón posee la misma
magnitud con signo positivo. Los iones transportan múltiplos enteros de esa
carga elemental: Na⁺ transporta +1e, Cl⁻ transporta −1e, Mg²⁺ transporta +2e y
SO₄²⁻ transporta −2e, mientras que los moles transportan valores equivalentes a
la constante de Faraday de esas mismas cargas. En las reacciones
electroquímicas de los electrodos, los electrones se transfieren en paquetes de
esta magnitud elemental; no existe la transferencia de fracciones arbitrarias
de un electrón.
En la fase acuosa,
sin embargo, no son electrones libres los que recorren el líquido. Los
portadores son iones solvatados, entidades químicas completas rodeadas
por moléculas de agua. Su velocidad de deriva es lenta: con campos eléctricos
habituales, puede encontrarse en escalas de micrómetros o milímetros por
segundo. Los iones no cruzan instantáneamente la celda; avanzan gradualmente
mientras chocan, se reorientan y permanecen solvatados. Esa lentitud material
no impide que una corriente se establezca casi de inmediato al cerrar un
circuito.
En un metal, los
electrones también poseen una velocidad de deriva relativamente baja, aunque
realizan movimientos térmicos rápidos y desordenados. La rapidez con que se
enciende una lámpara no corresponde al viaje de un electrón individual desde la
pila hasta el bombillo. Lo que se propaga velozmente por el circuito es el
cambio del campo eléctrico, a una fracción importante de la velocidad de
la luz. La comparación correcta no es “iones lentos contra electrones
instantáneos”, sino partículas con velocidades de deriva bajas frente a una
perturbación electromagnética que se transmite muy rápidamente.
En una celda
electroquímica, ambos mecanismos se complementan. Los electrones viajan por el
conductor metálico externo y participan en las reacciones de los electrodos.
Los iones hidratados se mueven por la disolución y evitan que se acumulen
cargas desequilibradas en cada compartimiento. Así, la conductividad acuosa
puede comprenderse como un proceso en el cual la concentración, la solubilidad,
el factor de van’t Hoff, la hidratación y la movilidad iónica determinan qué
tan eficazmente una disolución transporta carga eléctrica.
Referencias
Atkins, P., de
Paula, J., & Keeler, J. (2023). Atkins’ physical chemistry (12.ª
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