Celdas Electroquímicas Apuntes de clase enc PDF

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“Celdas Electroquímicas”¿Qué son las celdas electroquímicas?Una celda electroquímica es un dispositivo experimental por el cual se puede generar electricidad mediante una reacción química (celda Galvánica). O, por el contrario, se produce una reacción química al suministrar una energía eléctrica al ...

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“ Ce l da sEl e c t r oq uí mi c a s ” ¿Qué son las celdas electroquímicas? Una celda electroquímica es un dispositivo experimental por el cual se puede generar electricidad mediante una reacción química (celda Galvánica). O, por el contrario, se produce una reacción química al suministrar una energía eléctrica al sistema (celda Electrolítica). Estos procesos electroquímicos son conocidos como “reacciones electroquímicas” o “reacción redox” donde se produce una transferencia de electrones de una sustancia a otra, son reacciones de oxidación-reducción.

¿Quiénes las crearon? Las celdas electroquímicas fueron desarrolladas a finales del siglo XVIII por los científicos Luigi Galvani y Allesandro Volta por lo que también se las denomina celda galvánica o voltaica en su honor.

¿Quién es Luigi Galvani? Luigi Galvani (Bolonia, Italia, 9 de septiembre de 1737-ibídem, 4 de diciembre de 1798) fue un médico, fisiólogo y físico italiano, sus estudios le permitieron descifrar la naturaleza eléctrica del impulso nervioso. Fue miembro de la Venerable Orden Tercera

¿Quién fue Allesandro Volta? Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta FRS (Como, 18 de febrero de 1745-ib., 5 de marzo de 1827) fue un físico italiano, famoso principalmente por haber desarrollado la pila eléctrica en 1800. La unidad de fuerza electromotriz del Sistema Internacional de Unidades ha llevado el nombre de voltio en su honor desde 1881.

¿Cómo está formada una celda electroquímica? La celda electroquímica consta de dos electrodos, sumergidos en sendas disoluciones apropiadas, unidos por un puente salino y conectados por un voltímetro que permite el paso de los electrones

¿Cuáles son los componentes de una celda electroquímica? Ánodo: Es el electrodo sobre el que se produce la oxidación. El agente reductor pierde electrones y por tanto se oxida. M ———> M+ + 1e- Por convenio se define como el polo negativo. Cátodo: Es el electrodo sobre el que se produce la reducción. El agente oxidante gana electrones y por tanto se reduce. M+ + 1e- ———> M Por convenio se define como el polo positivo. Puente Salino: Es un Tubo de vidrio relleno de un electrolito que impide la migración rápida de las sustancias de una celda a otra, permitiendo no obstante el contacto eléctrico entre ambas. El electrolito suele ser una disolución saturada de KCl retenida mediante un gel. Voltímetro: Permite el paso de los electrones cerrando el circuito. Mide la diferencia de potencial eléctrico entre el ánodo y el cátodo siendo la lectura el valor del voltaje de la celda.

¿Cuáles son los tipos de celda electroquímica? · · · · ·

Celda Galvánica. Permite obtener energía eléctrica a partir de un proceso químico La reacción química se produce de modo espontáneo Son las llamadas pilas voltaicas o baterías. Celda electrolítica. La reacción no se da de forma espontánea. No se obtiene energía eléctrica. La aplicación de una fuente de energía externa produce una reacción química.

¿Cómo circula la corriente? La electricidad se transporta en una celda a través de 3 mecanismos: Conducción por los electrones en el electrodo. Conducción iónica. Los cationes (cargas positivas) y aniones (cargas negativas) transportan electricidad por el interior de la celda. c. Acoplamiento de la conducción iónica en la disolución con la conducción de los electrones en los electrodos. Son las reacciones de oxidación-reducción que se producen.

a. b.

¿Cuál es la fuente de poder de la celda?

· ·

La corriente de electrones fluye del ánodo al cátodo porque hay una diferencia de energía potencial entre los dos electrodos. El potencial de la celda o fuerza electromotriz (fem) que aparece reflejado en el voltímetro se obtiene de: Epila = Ecátodo- Eánodo El potencial de la celda depende de: Naturaleza de los Electrodos Naturaleza de los Iones

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Concentración Temperatura

¿Qué es la ecuación de Nerst? La ecuación de Nernst se utiliza para calcular el potencial de reducción de un electrodo fuera de las condiciones estándar

POTENCIAL DE LA CELDA. La corriente de electrones fluye del ánodo al cátodo porque hay una diferencia de energía potencial entre los dos electrodos. El potencial de la celda o fuerza electromotriz (fem) que aparece reflejado en el voltímetro se obtiene de: Epila = Ecátodo- Eánodo Hay que tener en cuenta que no podemos medir los potenciales absolutos, con los instrumentos de medida de voltaje sólo podemos medir diferencia de potencial. El potencial relativo de un electrodo vendrá dado por: ERelativo = EElectrodo- EReferencia Para que los datos puedan ser aplicados de una manera general se refieren a un electrodo de referencia: Electrodo Estándar de Hidrógeno que se le da por convenio el valor de 0,00 voltios. Se obtiene así una tabla de potenciales estándar EO referidos al electrodo de hidrógeno medidos a temperatura de 25 ºC (298 Kelvin)

Por convenio se define una fem estándar de la celda: Eopila = Eocátodo- Eoánodo

La diferencia de potencial es una medida de la tendencia que tiene la reacción de transcurrir de un estado de noequilibrio a un estado de equilibrio. El potencial de la celda depende de: • Naturaleza de los Electrodos • Naturaleza de los Iones • Concentración • Y Temperatura Quedando todos los parámetros reflejados en la ecuación de Nerst:

EJEMPLO DE CELDA ELECTROQUÍMICA GALVÁNICA: Pila Daniell. Cátodo: Disolución de CuSO4 (1M) y electrodo de Cu.

Ánodo: Disolución de de ZnSO4 (1M) y electrodo de Zn.

Proceso global:

Eopila = Eocátodo- Eoánodo = 0,34-(-0,763) = 1,103V Lo que quiere decir que la reacción se da de modo espontáneo.

Siendo la concentración de los electrodos, y de las especies sólidas en general, igual a 1M la ecuación quedaría:

El ect r oquí mi caesunar amadel aquí mi caqueest udi al at r ansf or maci ónent r el aener gí ael éct r i cayl a ener gí aquí mi ca.Enot r aspal abr as,l asr eacci onesquí mi casquesedanenl ai nt er f asedeunconduct or el éct r i co( l l amadoel ect r odo,quepuedeserunmet alounsemi conduct or )yunconduct ori óni co( el el ect r ol i t o)pudi endoserunadi sol uci ónyenal gunoscasosespeci al es,unsól i do.

Sumar i o [ ocul t ar ]

· · o

1Concept odeel ect r oquí mi ca 2Reacci onesr edox 2. 1Aj ust edeecuaci onesRedox

· ·

3Cel daEl ect r oquí mi ca 4Cor r osi ónel ect r oquí mi ca

· · ·

5Apl i caci ones 6Fuent e 7Enl acesext er nos

Concepto de electroquímica El ect r oquí mi capar t edel aquí mi caquet r at adel ar el aci ónent r el ascor r i ent esel éct r i casyl asr eacci ones quí mi cas,ydel aconver si óndel aener gí aquí mi caenel éct r i cayvi cever sa.Enunsent i domásampl i o,l a el ect r oquí mi caesel est udi odel asr eacci onesquí mi casquepr oducenef ect osel éct r i cosydel os f enómenosquí mi coscausadosporl aacci óndel ascor r i ent esovol t aj es. Esporel l o,queel campodel ael ect r oquí mi cahasi dodi vi di doendosgr andessecci ones.Lapr i mer ade el l asesl aEl ect r ól i si s,l acual ser efier eal asr eacci onesquí mi casquesepr oducenporacci óndeuna cor r i ent eel éct r i ca.Laot r asecci ónser efier eaaquel l asr eacci onesquí mi casquegener anunacor r i ent e el éct r i ca,ést epr ocesosel l ev aacaboenunacel daopi l agal v áni c a. Si unar eacci ónquí mi c aesconduci damedi ant eunadi f er enci adepot enc i al apl i cadaext er nament e,s e hacer ef er enci aaunael ect r ól i s i s.Encambi o,s il ac aí dadepot enci al el éct r i c o,escr eadacomo consec uenci adel ar eacci ónquí mi ca,seconocecomoun" acumul adordeener gí ael éct r i ca" ,t ambi én l l amadobat er í aocel dagal v áni ca.

Reacciones redox ect r onesent r emol écul assec onocen Lasr eacci onesquí mi casdondes epr oduc eunat r ansf er enc i adeel comor eacci onesr edox ,ysui mpor t anci aenl ael ect r oquí mi c aesvi t al ,puesmedi ant ees t et i pode r eacci onessel l ev anacabol ospr oces osquegener anel ect r i c i dadoencasocont r ar i o,sonpr oduci dos comoconsecuenc i adeel l a. Engener al ,l ael ect r oquí mi c aseencar gadees t udi arl assi t uaci onesdondes edanr eacci onesde ox i daci ónyr educ ci ónencont r ándosesepar adas ,f í si cament eot empor al ment e,seencuent r anenun ent or noconect adoaunc i r cui t oel éct r i c o.Est oúl t i moesmot i v odeest udi odel aquí mi caanal í t i ca,enuna subdi s ci pl i naconoci dacomoanál i si spot enci omét r i c o. Endi chasr eacc i onesl aener gí al i ber adadeunar eacci ónespont áneas econv i er t eenel ect r i c i dadobi en sepuedeapr ov echarpar ai nduc i runar eacci ónquí mi c anoespont ánea.

Ajuste de ecuaciones Redox Lasr eacci onesel ect r oquí mi cassepuedenaj ust arporel mét odoi ónel ect r óndondel ar eacci óngl obal se di v i deendossemi r r eacci ones( unadeoxi daci ónyot r ader educci ón) ,s eef ect úael aj ust edec ar gay el ement o,agr egandoH+,OH−,H2O y / oel ect r onespar ac ompens arl oscambi osdeoxi dac i ón.Ant esde empezarabal anc ears et i enequedet er mi narenquemedi oocur r el ar eacci ón,debi doaquesepr ocede deunamaner aenpar t i c ul arpar acadamedi o.

Celda Electroquímica Esel di sposi t i v out i l i z adopar al adescompos i c i ónmedi ant ecor r i ent eel éct r i cadesust anc i asi oni zadas denomi nadasel ect r ol i t os.Tambi énsec onocecomocel dagal váni caov ol t ai ca,enhonordel osci ent í ficos Lui giGal v ani yAl ess andr oVol t a,qui enesf abr i car onl aspr i mer asdeest et i poafinesdel S.XVI I I .

El ect r oquí mi ca

Esquemadel aPi l adeDani el l .El puent esal i no( r epr esent adoporel t uboenf or madeUi nv er t i da) cont i eneunadi sol uc i óndeKCl per mi t i endol ai nt er acci ónel éct r i caent r eel ánodoyelcát odo.Laspunt as deés t edebenest art apadasconpedaz osdeal godónpar aev i t arquel adi sol uc i óndeKCl cont ami nel os ot r oscont enedor es . Lascel dasel ect r oquí mi c ast i enendosel ect r odos:El Ánodoyel Cát odo.El ánodosedefinecomoel el ect r odoenel quesel l evaacabol aoxi dac i ónyel cát ododondeseef ec t úal ar educc i ón.Losel ect r odos puedens erdec ual qui ermat er i al queseaunconduct orel éc t r i co,comomet al es,semi conduct or es . Tambi énseusamuchoel gr afit odebi doasuconduct i v i dadyasubaj ocos t o.Par ac ompl et arel ci r c ui t o el éct r i c o,l asdi sol uci onesseconect anmedi ant eunc onduct orporel quepasanl oscat i onesyani ones , conoc i doc omopuent edesal ( ocomopuent esal i no) . Loscat i onesdi suel t ossemuev enhaci ael Cát odoyl osani oneshac i aelÁnodo.Lacor r i ent eel éct r i c a fluy edel ánodoal cát odoporqueex i s t eunadi f er enci adepot enc i al el éc t r i coent r eambosel ect r ol i t os.Es a di f er enci asemi dec onl aayudadeunv ol t í met r oyesconoc i dacomoel v ol t aj edel acel da.Tambi énse denomi naf uer z ael ect r omot r i z( f em)obi encomopot enci al decel da. 1Enunacel dagal váni cadondeel ánodoseaunabar r adeZi ncyel cát odoseaunabar r adeCobr e,ambassumer gi dasensol uci onesde susr espect i v ossul f at os ,yuni dasporunpuent esal i nosel aconocecomoPi l adeDani el l .Suss emi r eacci onessones t as : · · ·

Reacc i ónanódi caZn( s ) =Zn2+ ( ac)+2eReacc i onCat ódi caCu2+ ( ac)+2e-=Cu( s ) 2+ 2+ Reacc i ónt ot al Zn( s)+Cu ( ac)=Zn ( ac) +Cu( s )

Lanot aci ónconv enci onal par ar epr es ent arl ascel dasel ect r oquí mi casesundi agr amadecel da.En condi c i onesnor mal es ,par al api l adeDani el leldi agr amaser í a: Zn( s ) / Zn2+ ( ac) / / Cu2+( ac) / Cu( s ) Est edi agr amaes t adefini dopor :ánodo>cát odoEl ect r odonegat i vo/ el ect r ol i t o/ /El ect r ol i t o/ el ect r odo pos i t i vo( el /i ndi cafl uj odeel ect r onesyel / /s i gni ficapuent es al i no) Lal i neav er t i cal r epr esent ael l i mi t eent r edosf ases .Ladobl el i neav er t i cal r epr es ent ael puent esal i no. Porc onv enc i ón,elánodoseescr i bepr i mer oal ai zqui er dayl osdemáscomponent esapar ecenenel mi smoor denenqueseencuent r anal mov er s edeánodoacát odo.

Corrosión electroquímica Lacor r os i ónel ect r oquí mi c aesunpr oces oespont áneoquedenot asi empr el aexi s t enci adeunaz ona anódi ca( l aques uf r el ac or r osi ón) ,unaz onacat ódi cayunel ect r ol i t o,yesi mpr esci ndi bl el aexi st enci ade est ost r esel ement os ,ademásdeunabuenauni ónel éct r i c aent r eánodosycát odos ,par aqueest et i po decor r os i ónpuedat enerl ugar .Lac or r osi ónmásf r ecuent esi empr eesdenat ur al ezael ect r oquí mi c ay r esul t adel af or maci óns obr el asuper fi ci emet ál i c ademul t i t uddez onasanódi casycat ódi cas ;el el ect r ol i t oes ,encasodenoes t ars umer gi dooent er r adoel met al ,el aguacondens adadel aat mós f er a, par al oquel ahumedadr el at i v adeber áserdel 70%.

El pr oces odedi sol uci óndeunmet al enunác i doesi gual ment eunpr ocesoel ect r oquí mi co.Lai nfini dad debur buj asqueapar ecensobr el as uper fi ci emet ál i car ev el al aex i s t enc i adei nfini t oscát odos,mi ent r as queenl osánodossev adi sol vi endoel met al .Asi mpl evi st aesi mpos i bl edi s t i ngui rent r eunaz ona anódi cayunacat ódi ca,dadal anat ur al ezami cr oscópi cadel asmi smas( mi cr opi l asgal v áni cas) .Al cambi arc ont i nuament edeposi ci ónl asz onasanódi casycat ódi cas ,l l egaunmoment oenqueel met al se di s uel v et ot al ment e.

Aplicaciones Ladescompos i c i ónel ect r ol í t i caesl abasedeungr annúmer odepr oces osdeext r acc i ónyf abr i c aci ón muyi mpor t ant esenl ai ndus t r i amoder na.Lasosac áust i ca( unpr oduct oquí mi coi mpor t ant epar al a f abr i caci óndepapel ,r ay ónypel í c ul af ot ogr áfica)sepr oduceporl ael ect r ól i si sdeunadi sol uci óndesal or oysodi o. comúnenagua.Lar eacci ónpr oducecl El sodi or eacci onaasuv ezconel aguadel api l ael ect r ol í t i capr oduci endosos ac áust i ca.El cl or o obt eni dos eut i l i z aenl af abr i c aci óndepast ademader aypapel . Unaapl i caci óni ndust r i ali mpor t ant edel ael ect r ól i si sesel hor noel éct r i co,ques eut i l i z apar af abr i car al umi ni o,magnesi oysodi o.Enest ehor no,secal i ent aunacar gadesal esmet ál i cashas t aquesef undey sei oni z a.Acont i nuac i ón,sedeposi t ael met al el ect r ol í t i cament e. Losmét odosel ect r ol í t i c osseut i l i z ant ambi énpar ar efinarel pl omo,el es t año,elc obr e,el or oyl apl at a. Lav ent aj adeext r aeror efinarmet al esporpr ocesosel ect r ol í t i c osesqueel met al depos i t adoesdegr an pur eza.Lagal v anot ecni a,ot r aapl i caci óni ndust r i al el ect r ol í t i ca,seusapar adeposi t arpel í cul asde met al espr eci ososenmet al esbas e. Tambi énseut i l i z apar adepos i t armet al esyal eaci onesenpi ezasmet ál i casquepr eci senunr ecubr i mi ent o r esi st ent eydur ader o.Lael ect r oquí mi cahaav anzador eci ent ement edesar r ol l andonuev ast écni caspar a col ocarc apasdemat er i al sobr el osel ect r odos ,aument andoasísueficac i ayr esi st enci a.Tr asel descubr i mi ent odeci er t ospol í mer osqueconducenl ael ect r i c i dad,esposi bl ef abr i carel ect r odosde pol í mer os.

1. Definición: Una celda electroquímica de corriente continua es un dispositivo capaz de obtener energía eléctrica a partir de reacciones químicas o bien de producir reacciones químicas a través de la introducción de energía eléctrica. Consta de dos conductores eléctricos llamados electrodos, cada uno sumergido en una disolución adecuada de electrólito. Para que circule una corriente en una celda es necesario: 1º Que los electrodos se conecten externamente mediante un conductor metálico. 2º Que las dos disoluciones de electrólito estén en contacto para permitir el movimiento de los iones de una a otra 3º Que pueda tener lugar una reacción de transferencia de electrones en cada uno de los dos electrodos. En la siguiente figura se esquematiza una celda electroquímica sencilla:

Consiste en dos electrodos uno de zinc y otro de cobre, sumergidos en sus respectivas disoluciones de sulfato (el electrodo de Zinc sumergido en una disolución de sulfato de Zinc y el de cobre en una de sulfato de cobre). Ambas disoluciones se unen por un puente salino, que consiste en un tubo relleno de una disolución saturada de cloruro de potasio (se puede emplear otro electrólito). Los extremos del tubo se tapan con unos tapones porosos que permiten el paso de iones pero no de líquido. De esta forma, a través del puente se mantiene el contacto eléctrico entre las dos celdas a la vez que permanecen aisladas la una de la otra. La celda de la figura de arriba contiene lo que se denomina dos uniones líquidas , siendo la primera la interfase entre las disolución del sulfato de cinc y el puente salino; la segunda está en el otro extremo del puente salino donde la disolución de electrólito del puente contacta con la disolución de sulfato de cobre. En cada una de esas interfases se desarrolla un pequeño potencial de unión, el cual puede llegar a ser importante. Volver al índice

2. Conducción en una celda: La carga es conducida por tres procesos diferentes en las distintas pares de la celda mostrada en la figura anterior: a) En los electrodos de cobre y cinc,así como en el conductor externo, los electrones sirven de portadores, moviéndose desde el cinc, a través del conductor, hasta el cobre. b) En las disoluciones el flujo de electricidad implica la migración tanto de cationes como de aniones. En la semicelda de la izquierda, los iones cinc migran alejándose del electrodo, mientras que los iones sulfato e hidrógeno sulfato se mueven hacia él; en el otro compartimento, los iones cobre se mueven hacia el electrodo y los aniones se alejan de él. Dentro del puente salino, la electricidad es transportada por migración de los iones potasio hacia la derecha y de los iones cloruro hacia la izquierda. Por tanto, todos los iones en las tres disoluciones, participan en el flujo de electricidad. c) En las superficies de los dos electrodos tiene lugar en tercer proceso, que consiste en una reacción de oxidación o una reducción que que proporcionan un mecanismo mediante el cual la conducción iónica de la disolución se acopla con la conducción electrónica del electrodo para proporcionar un circuito completo para el flujo de carga. Estos dos procesos de electrodo se describen mediante las ecuaciones: Zn(s) ==== Zn2+ + 2eCu 2+ + 2e- ==== Cu(s) La siguiente figura resume todo lo dicho hasta ahora sobre las celdas electroquímicas:

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3. Corrientes faradaicas y no faradaicas: Dos tipos de procesos pueden dar lugar a corrientes a través de una interfase electrodo/disolución. Uno de ellos implica una transferencia directa de electrones vía una reacción de oxidación en un electrodo y una reacción de reducción en el otro. A los procesos de este tipo se les llama procesos faradaicos porque están gobernados por la ley de Faraday que establece que una reacción química en un electrodo es proporcional a la intensidad de corriente; las corrientes resultantes se denominan corrientes faradaicas. En caso contrario se denominan corrientes no faradaicas. Para comprender la diferencia básica entre una corriente faradáica y no faradaica se puede imaginar un electrón viajando a través del circuito externo hacia la superficie del electrodo. Cuando éste alcanza la interfase de la disolución puede suceder: a) Que permanezca en la superfície del electrodo y aumente la carga de la doble capa , lo que constituiría una corriente no faradaica b) Abandonar la superficie del electrodo y transferirse a una especie en la disolución , convirtiéndose en parte de una corriente faradaica. Volver al índice

4. Celdas galvánicas y electrolíticas: A) Las celdas galvánicas son aquellas que funcionan de forma que producen energía y las reacciones en los

dos electrodos tienden a transmitir espontáneamente produciendo un flujo de electrones desde el ánodo hasta el cátodo (este flujo de electrones se denomina corriente y corresponde a la velocidad de transferencia de la electricidad). También se las conoce como células voltaicas. En las células galvánicas se origina inicialment...