Redox 3: Celdas electroquímicas 1

Transcripción

1 V.Chan Celdas electroquímicas Celda electroquímica Representación simbólica de una celda Celda electroquímica: sistema en el cual se lleva a cabo una reacción redox que utiliza o consume corriente eléctrica. Se dividen en : Licda.Victoria Chan Escuela de Química, ITCR 1. Celda galvánica: celda en la cual una reacción espontánea genera una corriente eléctrica (E celda +). Ánodo -, Cátodo + 2. Celda electrolítica: celda en la cual una corriente eléctrica produce una reacción (E celda -). Ánodo +, Cátodo Celdas electroquímicas/ Componentes Celdas electroquímicas/ Componentes/ Electrodos La celda electroquímica está constituida básicamente por: uno o dos recipientes un par de electrodos un conductor eléctrico externo un medidor de potencial o una fuente de energía eléctrica (según el tipo de celda) un medio conductor de electricidad puede tener una pared porosa o un puente salino 3 Electrodos: superficies, generalmente metálicas, sobre las cuales ocurren las semirreacciones de oxidación (ánodo) y de reducción (cátodo). El electrodo puede ser: Activo: participa directamente en la reacción redox. Inerte: ofrece la superficie sobre la cual ocurre la semirreacción, no participa directamente en la reacción redox. 4 Redox 3: Celdas electroquímicas 1

2 V.Chan Los electrodos de referencia corresponden a hemiceldas cuyo potencial eléctrico es constante e independiente del transcurso del análisis. Calomel Ag/AgCl Normal de Hidrógeno Se usan como comparación para determinar potenciales de otras semirreacciones. Los electrodos de referencia más comunes son el EEH (electrodo estándar o normal de hidrógeno) y los electrodos de Calomel. 5 6 Celdas Electroquímicas/ Componentes Requisitos de los electrodos de referencia: 1. Comportamiento reversible: Puede actuar como cátodo o ánodo. 2. Potenciales eléctricos constantes: Las concentraciones o presiones de las especies participantes deben permanecer invariables en el transcurso de la reacción. 3. Potenciales eléctricos reproducibles: Se deben obtener los mismos potenciales eléctricos si las condiciones de reacción no varían. 4. Debe ser fácil de construir. Conductor externo: normalmente es un cable que ofrece poca resistencia al paso de corriente eléctrica (flujo de e - ) Medio conductor: medio que permite el movimiento de iones, puede ser una disolución acuosa de un compuesto iónico o que ionice, una sal fundida. Permite cerrar el circuito. 7 8 Redox 3: Celdas electroquímicas 2

3 V.Chan Celdas Electroquímicas/ Componentes Representación simbólica para las celdas Puente salino: tubo de forma de (U invertida) que contiene una disolución conductora de la electricidad (generalmente KCl (ac), KBr (ac) NaNO 3(ac ). Permite que se cierre el circuito eléctrico por movimiento de iones, para mantener la electroneutralidad en las semiceldas cuando se llevan a cabo en compartimentos separados. Pared porosa: membrana permeable a ciertos iones que permite la migración de iones de un compartimento a otro en la celda. 9 La representación simbólica (diagrama de celda) es una forma práctica y rápida de designar las celdas. El ánodo o semicelda de oxidación se escribe a la izquierda, el cátodo se escribe a la derecha. Si ambos electrodos se conectan por un puente salino, se indica dos barras verticales Una sola barra vertical indica un límite entre fases ó una membrana porosa. Se indica las fases de las sustancias (s), (ac), (g) ó las concentraciones o presiones. 10 Ej: Electrodo de Cu y un EEH La representación simbólica de la celda es: Pt (s) H 2 (1 atm) H + (1 molar) Cu 2+ (1 molar) Cu (s) Ej: Electrodo de Zn y EEH El diagrama de celda es: Zn (s) Zn 2+ (1 molar) H+ (1 molar) H 2 (1 atm) Pt (s) Anodo (oxidación) Zn (s) Zn2+ (ac) + 2 e - Cátodo (reducción) 2 H + (1 molar) + 2 e - H 2 (1 atm) Ecuación global: Zn (s) + 2 H + (1 molar) Zn2+ (1 molar) + H 2 (1 atm) Anodo (oxidación) H 2 (1 atm) 2 H + (1 molar) + 2 e - Cátodo (reducción) Cu 2+ (1molar) + 2 e - Cu (s) Ecuación global: H 2(1 atm) + Cu 2+ (1 molar) 2 H+ (1 molar) + Cu (s) 11 El electrodo de platino proporciona la superficie en la que se lleva a cabo la reducción. Cuando todos los reactivos están en su estado estándar (H 2 1 atm, los iones Zn 2+ (1 molar) e H + (1 molar), E = 0,76 V a 25 C. 12 Redox 3: Celdas electroquímicas 3

4 V.Chan Donde E cátodo y E ánodo son los potenciales estándares de reducción de los electrodos. La celda de Zn-EEH se escribe como: E celda = E H + /H 2 - E Zn 2+ / Zn 0,76 V = 0 - E Zn 2+ / Zn Por lo tanto el potencial de reducción del E Zn2+/ Zn es 0,76 V El potencial de la celda (E celda ) resulta de las contribuciones del ánodo y del cátodo, está dado por: E celda = E cátodo - E ánodo Ej: Electrodo de Cu y EEH La representación simbólica de celda es: Pt H 2 (1 atm) H + (1 molar) Cu 2+ (1 molar) Cu Anodo (oxidación) H 2 (1 atm) 2 H + (1 molar) + 2 e - Cátodo (reducción) Cu 2+ (1molar) + 2 e - Cu (s) Ecuación global H 2(1 atm) + Cu 2+ (1 molar) 2 H+ (1 molar) + Cu (s) Procesos de Oxidación-Reducción Celda de Daniell Voltímetro Tomado del Chang,R.Química.fig Donde E cátodo y E ánodo son los potenciales estándares de reducción de los electrodos. La celda de Cu-EEH se escribe como: E celda = E Cu 2+ / Cu - E H + /H 2 0,34 V = E Cu 2+ / Cu - 0 Por lo tanto el potencial normal de reducción E para el Cu 2+ / Cu es 0,34 V Oxidación ánodo El Zinc se oxida a Zn 2+ en el ánodo Zn(s) Zn 2+ (ac) + 2e - Ánodo de zinc ZnSO 4 (ac) Puent e salino Tapones de algodón Reacción redox espontánea Reacción neta CuSO 4 (ac) Zn(s) + Cu 2+ (ac) Zn 2+ (ac) + Cu(s) Cátodo de cobre Reducción cátodo El Cu 2+ se reduce a Cu en el cátodo 2e - + Cu 2+ (ac) Cu(s) Redox 3: Celdas electroquímicas 4

5 V.Chan Cálculo de E 0 La figura anterior presenta la celda de Daniell Calculemos el voltaje de la celda cuando las concentraciones de los iones Cu 2+ y Zn 2+ son 1,0 molar a 25 C. Anodo (oxidación) Zn (s) Zn2+ (ac) + 2 e - Cátodo (reducción) Cu 2+ (1 molar) + 2 e - Cu (s) Ecuación global: Zn (s) + Cu 2+ (1 molar) Zn2+ (1 molar) + Cu (s) E celda = E cátodo - E ánodo Se usan los valores de E 0 reducción para el ánodo y el cátodo E celda = E Cu2+/ Cu - E Zn2+/ Zn E celda = 0,34 V (-0,76V) E celda = 1,10 V celda galvánica. Escriba la representación simbólica! Cálculo de E 0 Dada la siguiente representación simbólica de la celda: C N 2 O (1 atm) HNO 2 (0,5 molar), H 1+ (ac) HCrO 4 1- (0,2 molar), H1+ (ac), Cr3+ (0,8 molar) Pt ; ph = 1 a) escriba las semiecuaciones e identifíquelas, b) escriba la ecuación completa, c) calcule el potencial eléctrico de la celda, d) clasifique la celda, e) calcule la constante de equilibrio (K), f) haga el dibujo de la celda y rotule todas sus partes, h) indique el signo de los electrodos, si los electrodos respectivos son inertes o activos y dé la dirección del flujo de electrones Bibliografía: Brown T, LeMay H.E, Bursten B, Murphy, C (2009). Química La Ciencia Central. 11a ed. México: Pearson, sección 20.3 a 20.6 Chang, R. (2007). Química. 9a ed. México: Mc Graw Hill. sección 19.2 Ebbing,D. (1997). Química General, 5ta ed., México: McGraw Hill. pp Escuela de Química-ITCR. Folleto Preguntas y problemas para practicar, pp 83 a Redox 3: Celdas electroquímicas 5