INTRODUCCIÓN A LA ELECTROQUÍMICA

Transcripción

1 INTRODUCCIÓN A LA ELECTROQUÍMICA I. Q. Luis F. Farrera G. Departamento de Fisicoquímica Facultad de Química UNAM

2 La electroquímica es la interrelación que se establece entre los sistemas químicos y los sistemas eléctricos, cuando ambos inciden en un proceso. SISTEMA QUÍMICO PROCESO SISTEMA ELÉCTRICO

3 CELDAS ELECTROQUÍMICAS

4 Celdas electroquímicas Celdas galvánica y electrolítica. Conversión de energía química en eléctrica y viceversa.

5 Celdas electroquímicas ENERGÍA QUÍMICA Celda Galvánica ENERGÍA ELÉCTRICA Celda electrolítica

6 Celdas de combustible Celda de combustible PEM.

7 IONES Y TRANSPORTE IÓNICO

8 Cristales iónicos Arreglo cúbico en un cristal iónico de cloruro de sodio.

9 Conductividad en cristales ELECTROQUÍMICA Defecto Frenkel Defecto Schotky

10 Electrolitos Electrolito disociado en iones positivos (cationes) y iones negativos (aniones).

11 ELECTROLITOS Y SOLVENTES

12 Electrolitos Las soluciones electrolíticas están constituidas por electrolitos y solventes polares. Molécula polar de agua

13 Moléculas de agua en ausencia de un campo eléctrico. ELECTROQUÍMICA

14 Moléculas de agua orientadas en presencia de un campo eléctrico. ELECTROQUÍMICA

15 TEORÍA DE LA DISOCIACIÓN ELECTROLÍTICA

16 Svante August Arrhenius ELECTROQUÍMICA

17 Los electrolitos en solución o fundidos, se disocian en especies iónicas positivas y negativas, en igual número, manteniéndose el principio de electro-neutralidad. Electro-neutralidad iónica

18 NaCl Na + + Cl - KCl K + + Cl - BaCl 2 Ba Cl - AlCl 3 Al Cl - Las especies son átomos cargados o grupos de átomos cargados (radicales de los electrolitos)... que permanecen idénticos en substancias químicas análogas (NH 4 ) 2 SO 4 2NH 4+ + SO 4 2- H 3 PO 4 3H + + PO 4 3- K 2 Cr 2 O 7 2K + + Cr 2 O 7 2-

19 Solvatación (Universidad de Iowa)

20 Disociación de un electrolito fuerte ELECTROQUÍMICA

21 Disociación de un electrolito débil ELECTROQUÍMICA

22 Conducción iónica Conducción en electrolitos fuertes y débiles

23 Conductividad electrolítica (Universidad Estatal de Iowa) ELECTROQUÍMICA

24 REACCIONES DE ÓXIDO-REDUCCIÓN

25 Óxido-reducción química ELECTROQUÍMICA Combinación de una substancia con el oxígeno. ZnO + C = Zn + CO 2Mg + O 2 = 2MgO Otros procesos en los que se da ganancia y pérdida de electrones. Mg + Cl 2 = MgCl 2 AgCl + 1e = Ag + Cl

26 Óxido-reducción electroquímica ELECTROQUÍMICA Zn(s) + Cu 2+ (ac) = Zn 2+ (ac) + Cu(s) Oxidación del Zn y reducción de Cu 2+ (celda local).

27 Cobre depositado en la placa de Zn. Oxidación del Zn y reducción de Cu 2+ (celda local).

28 Celda local (Universidad Estatal de Iowa) ELECTROQUÍMICA

29 Óxido-reducción electroquímica ELECTROQUÍMICA Reacción global dividida en dos reacciones parciales: Global: Cu 2+ (ac) + Zn(s) = Cu(s) Oxidación: Zn(s) - 2e = Zn 2+ (ac) Reducción: Cu 2+ (ac) + 2e = Cu(s) Celda Daniell.

30 Celda Galvánica Es la expresión física de un sistema espontáneo, completo, de óxido-reducción.

31 Celda galvánica (Universidad Estatal de Iowa) ELECTROQUÍMICA

32 POTENCIALES DE CELDA Y DE ELECTRODO

33 Fuerza electromotriz y potencial estándar n o E E log M / Mº M / Mº a n n n E E E C M / M M / M m n M E E log a E log m n C M / M M M / M M m m n n a E M n 1 / M1 E y m M 2 / M 2 : potenciales estándar de electrodo

34 Potencial estándar a E E log H / H2 H / H2 2 p 2 H 1 / 2 H 2 E E 0.0v H / H2 H / H2

35 2 o H E n E n log am n E log M / Mº M / Mº H / H 1/ 2 2 n 2 ph a 2 E E E C n M / M H / H 2 E E C n M / M ó E n E M / M C

36 Potencial estándar (Universidad Estatal de Iowa) ELECTROQUÍMICA

37 Otras reacciones de óxido-reducción: 2AgNO 3 + Zn⁰ = Zn(NO 3 ) 2 + 2Ag⁰ CuSO 4 + Zn⁰ = Cu⁰ + ZnSO 4 Hg Na = 2Hg + 2Na + ClO 3 + 6H + + 6e = Cl + 3H 2 O 2MnO 4 K + 5SO 3 Na 2 + 3SO 4 H 2 = 2SO 4 Mn + SO 4 K 2 + 5SO 4 Na 2 + 3H 2 O

38 CELDAS ELECTROLÍTICAS

39 Leyes de la electrólisis (Fáraday) "...(1) el poder químico de una corriente de electricidad está en proporción directa de la cantidad absoluta de electricidad que pasa..." "...(2) los pesos equivalentes de las substancias son simplemente aquellas cantidades de ellas que contienen cantidades iguales de electricidad..." n e i F t ó i t PM m F eq / mol

40 Celda electrolítica ELECTROQUÍMICA Electrólisis de una solución salina diluida.

41 Celda electrolítica ELECTROQUÍMICA Electrólisis de una solución salina diluida.

42 Celda electrolítica ELECTROQUÍMICA Electrólisis de una solución salina diluida.

43 Celda electrolítica ELECTROQUÍMICA Electrólisis de una solución salina diluida.

44 Celda electrolítica ELECTROQUÍMICA Electrólisis de una sal fundida

45 Celda electrolítica ELECTROQUÍMICA Electrólisis de una sal fundida

46 Celda electrolítica ELECTROQUÍMICA Electrólisis de una sal fundida

47 APLICACIONES ELECTROQUÍMICA

48

49 Industria de cloro-álcali Celda de membrana para la obtención de cloro-sosa.

50 Celda de cloro-sosa de membrana (Universidad Estatal de Iowa)

51 Electro-refinado de cobre ELECTROQUÍMICA Celda para electro-refinado de cobre

52 Industria del aluminio ELECTROQUÍMICA Proceso completo de la obtención del aluminio.

53 Obtención del aluminio ELECTROQUÍMICA Proceso de obtención del aluminio

54 Proceso electrolítico ELECTROQUÍMICA Celda para electro-refinado de cobre

55 Electro-refinado de Al ELECTROQUÍMICA Celda para electro-refinado de aluminio (proceso Hall-Heroult)

56 Producción de flúor Celda para la producción de flúor.

57 Electrólisis del agua ELECTROQUÍMICA Electrolizador unipolar para la producción de H 2 y O 2.

58 Electrólisis del agua ELECTROQUÍMICA Electrolizador bipolar para la producción de H 2 y O 2.

59 Electrólisis del agua Electrolizador PEM para la producción de H 2 y O 2.

60 Obtención de KMnO 4

61 Obtención de KMnO 4

62 Permanganato de potasio Celda de laboratorio para para la síntesis de KMnO 4.

63 Control de la corrosión Estructura susceptible de corrosión.

64 Control de la corrosión Protección catódica con ánodo de sacrificio.

65 Baterías ELECTROQUÍMICA Pila alcalina (tamaño doble A).

66 celdas de combustible Celda de combustible PEM alcalina.

67 Tratamiento de aguas y protección ambiental

68 Tratamiento de aguas y protección ambiental

69 Tratamiento de aguas y protección ambiental

70 Electrodos selectivos para iones Cationes: Aniones: NH 4 + Ba 2+ Ca 2+ Cu 2+ Pb 2+ Hg 2+ K + Na + Ag + Br - CO 3 - Cl - CN - F - I - NO 3 - NO 2 - ClO 4 - S - SCN -