TEMA-11 Electroquímica

Transcripción

1 QUÍMICA I TEMA-11 Electroquímica Tecnólogo en Minería 1

2 I n t r o d u c c i ó n Electroquímica Fenómenos eléctricos Fenómenos químicos 2

3 I n t r o d u c c i ó n Electroquímica Fenómenos eléctricos Fenómenos químicos Área de la Química que estudia la interconversión entre energía eléctrica y energía química. Estudia las relaciones que se establecen entre la electricidad y las reacciones químicas. 3

4 I n t r o d u c c i ó n 4

5 I n t r o d u c c i ó n Electroquímica visible y aplicada: Baterías y celdas de combustible, como fuentes de energía eléctrica relojes digitales, calculadoras, arranque de autos, marcapasos. Corrosión del hierro y otros metales y métodos para controlarla. Respiración de los animales y transmisión de impulsos nerviosos. Electrólisis cosmética, electrólisis percutánea intratisular. 5

6 I n t r o d u c c i ó n Electroquímica visible y aplicada: Manufactura y acción de los blanqueadores. Obtención de productos químicos clave. Purificación de metales y procesos útiles en joyería. Galvanizado, cromado. Electrosíntesis de antiinflamatorios (ibuprofeno). Músculos artificiales. Tratamiento de efluentes líquidos (eliminación / recuperación de metales) y gaseosos (desulfuración). Purificación del aire. 6

7 N ú m e r o d e O x i d a c i ó n ( r e p a s o ) Número de oxidación Número arbitrario que se le ha asignado a cada elemento químico y que indica la cantidad de electrones que podría ganar, perder o compartir cuando forma un compuesto. Concepto ideado para seguir la pista de los electrones en las reacciones redox. 7

8 N ú m e r o d e O x i d a c i ó n ( r e p a s o - t e m a 4 C N ) Reglas para asignar los números de oxidación 1. El número de oxidación de un átomo en su forma elemental siempre es cero. Ejemplo: n de oxidación de cada uno de los átomos de H en una molécula de H 2 es cero. 2. El número de oxidación de un ion monoatómico es igual a su carga. Ejemplo: n de oxidación de K + = +1; n de oxidación de S 2- = -2. 8

9 N ú m e r o d e O x i d a c i ó n ( r e p a s o - t e m a 4 C N ) Reglas para asignar los números de oxidación 3. El número de oxidación del oxígeno normalmente es -2 en compuestos tanto iónicos como moleculares. Excepción en los peróxidos, donde cada átomo de oxígeno tiene un número de oxidación de El número de oxidación del hidrógeno es +1 cuando está unido a no metales y -1 cuando está unido a metales. 9

10 N ú m e r o d e O x i d a c i ó n ( r e p a s o - t e m a 4 C N ) Reglas para asignar los números de oxidación 5. El número de oxidación del flúor es de -1 en todos sus compuestos. Los demás halógenos tienen un número de oxidación de -1 en la mayor parte de sus compuestos binarios, pero cuando se combinan con oxígeno tienen números de oxidación positivos. 6. La suma de los números de oxidación de todos los átomos de un compuesto neutro es cero y en un ión poliatómico es igual a la carga del ion. Ejemplo: En el H 3 O + el n de oxidación de cada H es +1 y el del O es -2. Suma = 3(+1) + (-2) = 1 carga neta del ion. 10

11 R e a c c i o n e s d e O x i d a c i ó n - R e d u c c i ó n ( R e d o x ) Conceptos Básicos Reacciones de oxidación-reducción (redox): Son aquellas reacciones donde se transfieren electrones de una sustancia a otra. Hay una transferencia de electrones, donde una sustancia gana electrones y la otra los pierde. Esta ganancia o pérdida de electrones se puede visualizar a través de los números de oxidación Ejemplo: 11

12 R e a c c i o n e s d e O x i d a c i ó n - R e d u c c i ó n ( R e d o x ) Conceptos Básicos Oxidación Pérdida de electrones por parte de una sustancia. Reducción Ganancia de electrones por parte de una sustancia. 12

13 R e a c c i o n e s d e O x i d a c i ó n - R e d u c c i ó n ( R e d o x ) Conceptos Básicos Oxidación Pérdida de electrones por parte de una sustancia. El número de oxidación de la sustancia aumenta. Reducción Ganancia de electrones por parte de una sustancia. El número de oxidación de la sustancia disminuye. 13

14 R e a c c i o n e s d e O x i d a c i ó n - R e d u c c i ó n ( R e d o x ) Conceptos Básicos Oxidación Pérdida de electrones por parte de una sustancia. El número de oxidación de la sustancia aumenta. La sustancia que pierde electrones se oxida. Reducción Ganancia de electrones por parte de una sustancia. El número de oxidación de la sustancia disminuye. La sustancia que gana electrones se reduce. Ejemplo: 14

15 R e a c c i o n e s d e O x i d a c i ó n - R e d u c c i ó n ( R e d o x ) Conceptos Básicos Oxidación Pérdida de electrones por parte de una sustancia. El número de oxidación de la sustancia aumenta. La sustancia que pierde electrones se oxida. Reducción Ganancia de electrones por parte de una sustancia. El número de oxidación de la sustancia disminuye. La sustancia que gana electrones se reduce. En toda reacción redox si una sustancia se oxida, otra necesariamente se reduce. 15

16 R e a c c i o n e s d e O x i d a c i ó n - R e d u c c i ó n ( R e d o x ) Conceptos Básicos Las reacciones redox se pueden considerar como la suma de dos etapas, conocidas como semirreacciones o medias reacciones. Se tiene así una semirreacción de reducción y una semirreacción de oxidación. Ejemplo: Reacción redox global : Semirreacción de oxidación: Semirreacción de reducción: Nótese que el número de electrones es el mismo en ambas semirreacciones 16

17 R e a c c i o n e s d e O x i d a c i ó n - R e d u c c i ó n ( R e d o x ) Conceptos Básicos Agente Oxidante u Oxidante: Sustancia que hace posible que otra se oxide. Se reduce en la reacción. Agente Reductor o Reductor: Sustancia que hace que otra se reduzca. Se oxida en la reacción. Ejemplo: El Fe 3+ se reduce agente oxidante El Sn 2+ se oxida agente reductor 17

18 R e a c c i o n e s d e O x i d a c i ó n - R e d u c c i ó n ( R e d o x ) Conceptos Básicos Agente Oxidante u Oxidante: Sustancia que hace posible que otra se oxide. Se reduce en la reacción. Agente Reductor o Reductor: Sustancia que hace que otra se reduzca. Se oxida en la reacción. 18

19 R e a c c i o n e s d e O x i d a c i ó n - R e d u c c i ó n ( R e d o x ) Conceptos Básicos Agente Oxidante u Oxidante: Sustancia que hace posible que otra se oxide. Se reduce en la reacción. Agente Reductor o Reductor: Sustancia que hace que otra se reduzca. Se oxida en la reacción. Cd aumenta n de oxidación se oxida agente reductor Ni en NiO 2 disminuye n de oxidación se reduce agente oxidante 19

20 C e l d a s V o l t a i c a s La energía liberada por una reacción redox espontánea puede usarse para realizar trabajo eléctrico. Obtención de energía eléctrica a partir de una reacción redox. Esto se puede hacer empleando una celda voltaica (también llamada celda galvánica). 20

21 C e l d a s V o l t a i c a s Celda Voltaica o Galvánica: Dispositivo experimental para generar electricidad mediante una reacción redox espontánea. La transferencia de electrones se da a lo largo de un camino externo y no directamente entre los reactivos. 21

22 C e l d a s V o l t a i c a s Ejemplo: Cuando se coloca una lámina de Zn dentro de una disolución acuosa de Cu 2+ se da la siguiente reacción espontánea 22

23 C e l d a s V o l t a i c a s Ejemplo: La misma reacción se puede llevar a cabo a través del siguiente circuito La lectura del voltímetro indica que se obtiene energía eléctrica útil a partir de la reacción redox involucrada. 23

24 C e l d a s V o l t a i c a s Componentes Generales de una Celda Voltaica Ánodo: Electrodo donde ocurre la oxidación. Electrodo hacia el cual migran los aniones. Cátodo: Electrodo donde ocurre la reducción. Electrodo hacia el cual migran los cationes. Electrolito: Disolución conductora de la corriente eléctrica. 24

25 C e l d a s V o l t a i c a s Componentes Generales de una Celda Voltaica Puente Salino: Electrolito inerte (a efectos de las especies presentes), separado físicamente del electrolito activo, que permite mantener la neutralidad eléctrica. Elementos para completar el circuito externo: Alambres, voltímetro, interruptor. 25

26 C e l d a s V o l t a i c a s Componentes Generales de una Celda Voltaica En toda celda voltaica los electrones fluyen desde el ánodo hacia el cátodo por el circuito externo. 26

27 C e l d a s V o l t a i c a s Ejemplo: Diagrama de la celda voltaica mostrada anteriormente, basada en la reacción 27

28 C e l d a s V o l t a i c a s Potencial de Celda o Fuerza Electromotriz (FEM) Fuerza motriz que empuja a los electrones a lo largo del circuito externo. Diferencia de potencial que hace que pase una corriente desde el electrodo de alto potencial hasta el de bajo potencial. La designaremos como E celda y es: E celda = E cátodo - E ánodo 28

29 C e l d a s V o l t a i c a s Potencial de Celda o Fuerza Electromotriz (FEM) En uno de los ejemplos que vimos: E celda = E cátodo - E ánodo 29

30 C e l d a s V o l t a i c a s Potencial de Celda o Fuerza Electromotriz (FEM) Los electrones fluyen del ánodo al cátodo debido a una diferencia de energía potencial. La energía potencial del ánodo es mayor que la del cátodo. 30

31 C e l d a s V o l t a i c a s Potencial de Celda o Fuerza Electromotriz (FEM) La FEM de una celda depende de: Las reacciones que se llevan a cabo en el ánodo y en el cátodo. La concentración de reactivos y productos. El potencial estándar de celda, E. La temperatura. 31

32 C e l d a s V o l t a i c a s Potencial de Celda o Fuerza Electromotriz (FEM) Para una reacción redox del tipo: aa + bb cc + dd E E 0 RT ln nf C C c C a A C C d D b B Ecuación de Nernst Potencial estándar (de reducción, por convención) Constante de los gases, R = J / mol. K Temperatura absoluta 32

33 C e l d a s V o l t a i c a s Potencial de Celda o Fuerza Electromotriz (FEM) Para una reacción redox del tipo: aa + bb cc + dd E E 0 RT ln nf C C c C a A C C d D b B Ecuación de Nernst Cociente de reacción, Q Cantidad de electrones intercambiados Constante de Faraday, F = C / mol 33

34 C e l d a s V o l t a i c a s Potencial Estándar de Reducción Potencial de una celda formada por el electrodo en cuestión y el electrodo estándar de hidrógeno, cuando la concentración o presiones parciales de todas las especies es igual a 1. Ejemplo: 34

35 C e l d a s V o l t a i c a s Potencial Estándar de Reducción Nivel de referencia. Por convención: cero voltios a todas las temperaturas 35

36 C e l d a s V o l t a i c a s Potencial Estándar de Reducción Medida de la tendencia de una especie a reducirse. Cuanto más positivo es el valor de los E 0 red de una media reacción tanto mayor es la tendencia del reactivo a reducirse y por lo tanto a oxidar a otras especies. 36

37 C e l d a s V o l t a i c a s Potencial Estándar de Reducción 37

38 C e l d a s V o l t a i c a s Potencial Estándar de Reducción 38