Preparatoria Federal Lázaro Cárdenas
Temas Selectos de Química II
“Celdas Electroquímicas”
Profa. Elizabeth Sánchez
Grupo 607
-Diana Valentina Ceja Pérez -Rubén David Pérez Figueroa -Monserrat Segura Ramírez -Vanessa Torrecillas Arreola -Jair Velázquez Martínez -Giselle Villaseñor Velázquez
Tijuana B.C. 2 de Mayo de 2012
Índice Introducción del Tema………………………………………………………………..…..1 Esquema…………………………………………………………………………… .……..2 Caso Clínico………………………………………………………………………..…… 3-5 Ideas Fundamentales…………………………………………………………………… .6 Acerca de las Celdas Electroquímicas………………………………………….…. .7-12 Cuerpo del Trabajo………………………………………………………………..… 13-15 Conclusiones…………………………………………………………………………….. 16 Bibliografía………………………………………………………………………………..17
Introducción
Es muy difícil conocer el nacimiento de la electroquímica, pues existen evidencias que indican, la existencia de baterías y acumuladores de energía eléctrica, desde la antigüedad. Estudios realizados en los años 1930 demostraron la existencia de baterías en el imperio Parto, que probablemente fueron empleadas para la electrodeposición o galvanizado de piezas metálicas. Los antecedentes acerca del conocimiento de la electricidad en términos científico vinieron muchos siglos después, gracias a los trabajos con el magnetismo y los principios de la electricidad de los siglos XVII y XVIII dados tanto por William Gilbert, llamado el padre del magnetismo y por Otto von Guericke quien creó el primer generador eléctrico, que producía electricidad estática generando fricción en un aparato en forma de esfera. Todo ello sumado a los aportes de Charles François de Cisternay du Fay (teoría de la polaridad), Benjamín Franklin (electricidad atmosférica), Charles- Agustín de Coulomb (teoría de atracción electrostática) en 1781 y los estudios de Joseph Priestley en Inglaterra, se logró pavimentar el camino para el nacimiento científico de la electroquímica. La electroquímica es una rama de la química que estudia la transformación de la energía eléctrica y la energía química. Las reacciones químicas en donde se tienen a cabo transferencia de electrones se conocen como reacciones redox, dentro de la electroquímica este proceso es fundamental, puesto que estas son el motor principal para la aparición de una corriente eléctrica, o las reacciones son producidas por la misma. Ya que la electroquímica basa sus estudios en estas reacciones ya sea q se encuentres separadas físicamente o temporalmente, se encuentran conectadas a un circuito eléctrico, esto llevado hacia la química analítica nos conlleva a una disciplina conocida como la potenciometria.
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Esquema Celda Electrolítica Transforma una corriente eléctrica en una reacción química de oxidación-reducción oxidación-reducción que no tiene lugar de modo espontáneo.
Celda voltaica
Propiedades Fisicoquímicas
CELDAS ELECTROQUIMICAS
El material de las placas y el electrolito determinan el valor de la FEM. La superficie de contacto (material activo) con el electrolito determinan la capacidad de almacenar energía de la celda.
Transforma una reacción química espontánea en una corriente eléctrica, como las pilas y baterías.
Impacto Ambiental
Definición Es un dispositivo experimental para generar electricidad mediante una reacción redox (celda galvánica o voltaica).
Aplicado en la vida cotidiana Se encuentra en las cámaras electrónicas, las baterías recargables de la computadora, los marcapasos, los radios, los aparatos eléctricos, las mini televisiones, los celulares, algunos aires acondicionados o calentadores, secadores de pelo, calculadoras, baterías de coche, o cualquier otro motor como tractores, camiones, aviones, motonetas, lanchas, motos de agua, relojes.
Para imaginar la magnitud de la contaminación de estas pilas, basta con saber que son las causantes del 93% del Mercurio en la basura domestica, así como del 47% del Zinc, del 48% del Cadmio, del 22% del Níquel, etc.
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Casos Clínicos: Electroterapia:
Es el empleo de diversas formas de electricidad en el tratamiento de las enfermedades. Se utiliza también en el diagnóstico de ciertas afecciones nerviosas y musculares. Las formas de electricidad que se utilizan en medicina son: corriente galvánica, corriente sinusoidal, corriente Farádica, electricidad estática, corriente de altas frecuencias, entre otras. La electroquímica incluye la corriente galvánica
Corriente galvánica:
La corriente galvánica se utiliza en ciertas afecciones de los nervios y músculos, y también para la llamada ionización o iontoforesis. También se utiliza la corriente galvánica para depilación permanente. La corriente galvánica interrumpida se ha utilizado para obtener contracciones de los músculos.
Electroshock
La técnica de la terapia de electroshock consiste en aplicar 2 o más electrodos a ambos lados de la cabeza y hacer pasar a través del encéfalo una corriente eléctrica de intensidad determinada. Se usa en el tratamiento de enfermedades mentales. El empleo del shock eléctrico para provocar la pérdida del conocimiento, ha dado espectaculares resultados en algunos pacientes, particularmente en los afectados de grave depresión, agitación, depresión asociado a la menopausia y estados catatónicos de esquizofrenia. 3
Electrocardiógrafo
Aparato o instrumento que registra la corriente eléctrica generada por los latidos del corazón. Dos conductores acoplados a ambos brazos y la pierna izquierda lleva la corriente al aparato donde queda registrada fotográficamente en forma de ondas, cuyo conjunto recibe el nombre de cardiograma. El electrocardiógrafo es sumamente útil como elemento de diagnóstico y de inestimable valor en el estudio del corazón y de muchas enfermedades como la fiebre reumática. Por último, ayuda a establecer un diagnóstico en presuntos casos de trombosis coronaria, seria en enfermedad que se produce al quedar bloqueados por algún coagulo los vasos que irrigan el corazón con deterioro cardíaco, alteración del ritmo de los latidos y otras irregularidades circulatorias
Corazón artificial
Sólo necesita para su puesta en marcha una batería del tamaño de una cinta de vídeo que el paciente llevará enganchada a la cintura. La energía transmitida por esta batería pasa por la piel hasta un mecanismo de control con una batería de emergencia. El principal objetivo de este primer trasplante de un corazón artificial es evaluar cómo el corazón mecánico móvil afecta a la calidad de vida de los pacientes que lo reciben, que en su mayoría están tan enfermos que no pueden caminar ni cumplir su rutina de vida.
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Marcapasos
Un marcapasos cardíaco es un aparato pequeño que ayuda a que el corazón lata uniformemente. Los médicos pueden colocar un marcapasos artificial compuesto de electrodos (alambres delgados flexibles) y un generador (baterías). • Los electrodos pueden ser colocados en un vaso sanguíneo
del pecho o cuello, para luego ser ubicados dentro del corazón, o el electrodo puede colocarse a través de una incisión (corte) en el pecho y unirse a la superficie externa del corazón. • Un generador para el marcapasos va conectado al electrodo. El generador es la batería
proveedora de la energía y el "cerebro" del marcapasos. Un generador puede durar de 5 a 10 años. Después de este tiempo es posible que se necesite uno nuevo.
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Ideas fundamentales: Aprovechar las reacciones Redox Crear energía Utilizar esa energía para realizar fuerzas electromotrices Dispositivos capaces de obtener energía eléctrica Transferencia de electrones La mayoría constan de una ánodo y un cátodo
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CELDAS ELETROQUIMICAS
La Celda Electroquímica es el dispositivo utilizado para la descomposición mediante corriente eléctrica de sustancias ionizadas denominadas electrolitos CELDA GALVÁNICA. Las celdas electroquímicas son aquellas en las cuales la energía eléctrica que procede de una v fuente externa provee reacciones químicas no espontaneas En una celda electroquímica teniendo en cuenta la reacción que se lleve a cavo dentro de ella, el agente reductor pierde electrones por lo cual se oxida, el electrodo donde se realiza la oxidación se llama ánodo, por otro lado el agente oxidante gana electrones por lo que se reduce, este proceso se lleva a cabo en el electrodo llamado cátodo.
La corriente eléctrica fluye del ánodo al cátodo puesto q existe una diferencia de potencial entre los electrodos, esta diferencia de potencial se mide de forma experimental con un voltímetro, esta medida medida nos da la lectura del voltaje de celda, también llamado fuerza electromotriz (fem) o potencial de celda. Los electrodos pueden ser de cualquier material se sea conductor eléctricos, como los metales, también es muy utilizado el grafito debido a su gran conductividad y a su bajo costo. Estos electrodos pueden subdividirse en dos grupos en relación con la función a que ellos concierne en e aparato necesario para cada determinación un primer grupo comprende los electrodos destinados a ser emparejados cada vez con semi-elementos, en la pila cuyas variaciones de potencial se quiere seguir, y por el fin a que son destinados se llaman electrodos de comparación. Otro grupo demasiado numeroso son los electrodos capases de revelar las variaciones de potencial en la disolución, dichos electrodos reciben el nombre de electrodos indicadores. Para completar el circuito las disoluciones se conectan mediante un conductor pro el que pasan los cationes y aniones, también llamado puente salino. Los cationes (iones con carga positiva) disueltos se mueven hacia el ánodo y los aniones hacia el cátodo, la corriente eléctrica fluye del ánodo al cátodo puesto que hay una diferencia de potencial entre los dos electrolitos.
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Propiedades fisicoquímicas Ánodo: Es el electrodo sobre el que se produce la oxidación. El agente reductor pierde electrones y por tanto se oxida. M ———> M+ + 1ePor 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.
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Características Físicas relevantes:
El material de las placas y el electrolito determinan el valor de la FEM. La superficie de contacto (material activo) con el electrolito determinan la capacidad de almacenar energía de la celda. La densidad del electrolito influencia en la velocidad de reacción (altas corrientes ==> altas densidades) La temperatura a la que se somete una celda ce lda o batería ejerce una importante influencia en la tensión de la fem y por tanto en la vida útil de la misma.
Puente salino Es un tubo con un Puente salino electrolito electrolito en un gel que está conectado a las dos semiceldas de una celda galvánica; el puente salino permite el flujo de iones, pero evita la mezcla de las disoluciones diferentes que podría permitir la la reacción directa de los reactivos de la celda El puente salino también mantiene la neutralidad eléctrica en cada semicelda. Existen varios tipos de puente salino: los de tubo de vidrio y los de papel de filtro. Los puentes salinos de tubos de vidrio consisten en un tubo de vidrio lleno de un electrolito inerte para la reacción que ocurrirá en la pila, los más usados son sulfato de sodio o ioduro de potasio. El electrolito por lo general viene gelificado, a fin de evitar que se mezcle con los componentes de la pila. La conductividad de este tipo de puente salino depende de la concentración del electrolito
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También existen puentes salinos de papel de filtro, que consisten justamente en papel de filtro embebido en electrolito inerte. Entre los más usados encontramos el cloruro de sodio o de potasio. La conductividad en puentes salinos de papel de filtro depende, además de la concentración del electrolito, del la textura y capacidad absorbente del papel. Texturas más suaves y mayor capacidad de absorción significan por lo general mayor conductividad Un puente salino cumple tres funciones:
Permite el contacto eléctrico entre las dos disoluciones Evita mezcla de las disoluciones de los electrodos Mantiene la neutralidad eléctrica en cada semi-célula a medida que los iones fluyen dentro y fuera del puente salino.
Reacciones implicadas La electroquímica es la rama de la química que estudia la conversión entre la energía eléctrica y la energía química Los procesos electroquímicos son reacciones redox en las cuales la energía liberada por una reacción espontánea se convierte en electricidad o la energía eléctrica se aprovecha para provocar una reacción química no espontánea. Las reacciones redox son aquellas en las que se transfieren electrones de una sustancia a otra. Una celda electroquímica es un dispositivo experimental para generar electricidad mediante una reacción reacción redox (celda galvánica o voltaica).
En una celda galvánica donde el ánodo sea una barra de Zinc y el cátodo sea una barra de Cobre Cobre,, ambas sumergidas en soluciones 10
de sus respectivos sulfatos, y unidas por un puente salino se la conoce como Pila de Daniell. Sus semi-reacciones son estas:
Fuerza electromotriz Capacidad que tienen algunos aparatos para movilizar la carga eléctrica y a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado. Con el paso del tiempo se empezaron a generar corrientes eléctricas más estables y de más larga duración gracias al invento La Pila Eléctrica.
Las pilas, baterías solares de una nave espacial, generador de un automóvil son dispositivos o aparatos diseñados para poner la carga eléctrica eléctrica en movimiento y se les llama fuentes de fuerza electromotriz. Se supone que en su esencia, estos aparatos ejercen una fuerza sobre las cargas eléctricas y las ponen en movimiento, de allí el nombre de generadores de fuerza electromotriz. Sin embargo la magnitud de la fuerza electromotriz (f.e.m.) no se mide a través de la fuerza eléctrica sino por medio de la energía que estos aparatos utilizan para mover una unidad de carga. Las causas de la Fuerza electromotriz son diversas, pero en cualquiera de ellas se genera una fuerza eléctrica que es capaz de mover cargas eléctricas.
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Potencial de oxidación y potencial de reducción
contribución del ánodo
Cuyo valor depende de la semireacción de oxidación para perder electrones
contribución del cátodo
Cuyo valor depende de la semireacción de reducción para ganar electrones
Mecanismos de funcionamiento funcionamiento general Conjunto de elementos, mayoritariamente rígidos, que tienen como razón de ser transmitir o comenzar un movimiento. Es un dispositivo o conjunto de mecanismos que transforman o transmiten energía (de diferentes sustancias, vapor, agua, mezcla de combustibles), desde su fuente de energía hasta la resistencia que deben vencer. Entre los componentes fundamentales y característicos de un mecanismo nos encontramos con los siguientes: eslabón, que es aquel elemento rígido que sirve para la transmisión del movimiento que dará lugar al funcionamiento del mecanismo en cuestión. El nodo, aquel elemento de un eslabón que se utiliza para unir a otro eslabón y la Junta o Par cinemático, que es el elemento que nos indica la unión de dos o más eslabones.
Aplicado en la vida cotidiana La energía de la celda, se transforma en energía eléctrica. Todas tienen un lado positivo o electrodo positivo y uno negativo. Las cámaras electrónicas, las baterías recargables de la computadora, los marcapasos, los radios, los aparatos eléctricos, las mini televisiones, los celulares, algunos aires
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acondicionados o calentadores, secadores de pelo, calculadoras, baterías de coche, o cualquier otro motor como tractores, camiones, aviones, motonetas, lanchas, motos de agua, relojes. Es muy amplio el uso de las celdas electroquímicas. La combinación de celdas solares con celdas electroquímicas, es otro uso. Se está experimentando el uso de otro tipo de celdas electroquímicas que usen alcohol
Impacto ambiental por el uso de las pilas Pilas, baterías y micropilas que a diario invaden nuestros hogares. Las radios, linternas, reloj, walkman, cámaras fotográficas, calculadoras, juguetes, computadoras son solo una pequeña muestra de una enorme lista de productos que emplean estas fuentes de energía (pilas), siendo la razón de su éxito comercial la autonomía de la red eléctrica, o sea ser un objeto portátil Las pilas son arrojadas con el resto de la basura domiciliaria, siendo vertidas en basureros, ya sean a cielo abierto o a rellenos sanitarios y en otros casos a terrenos baldíos, acequias, caminos vecinales, causes de agua, etc. Para imaginar la magnitud de la contaminación de estas pilas, vasta con saber que son las causantes del 93% del Mercurio en la basura domestica, así como del 47% del Zinc, del 48% del Cadmio, del 22% del Níquel, etc. Estas pilas sufren la corrosión de sus carcazas afectadas internamente por sus componentes y externamente por la acción climática y por el proceso de fermentación de la basura, especialmente la materia orgánica, que al elevar su temperatura hasta los 70º C, actúa como un reactor de la contaminación. Cuando se produce el derrame de los electrolitos internos de las pilas, arrastra los metales pesados. Estos metales fluyen por el suelo contaminando toda forma de vida (asimilación vegetal y animal). 13
El mecanismo de movilidad a través del suelo, se ve favorecido al estar los metales en su forma oxidada, estos los hace mucho más rápido en terrenos salinos o con PH muy ácido.
EXPERIMENTO Pila de Daniel
Las pilas tienen dos electrodos que suelen ser dos metales (en nuestro caso la tira de zinc o de magnesio y cobre) y un electrolito, que es la sustancia que permite conducir la corriente eléctrica (en nuestro caso es el vinagre). La pila de Daniel tiene una intensidad de corriente muy baja por lo que sólo podemos hacer funcionar algo que requiera una potencia muy pequeña, como es el caso del LED. Reacción química producida en la pila de Daniel
Esta pila esta formada por una lámina de cobre y otra de zinc introducidas en una disolución acuosa de sulfato de cobre. Ambas láminas, llamadas electrodos, se unen mediante un conductor electrónico (por ejemplo un hilo de cobre). En esta situación, los átomos de zinc se oxidan, pierden electrones y pasan a la disolución como iones positivos. Simultáneamente, los iones positivos de cobre que están en la disolución se reducen, ganan electrones y se depositan como átomos de cobre metálico sobre el electrodo de cobre. Entre las reacciones que se presentan en el cátodo (electrodo con carga positiva), se encuentra la reacción de reducción ya que el cobre gana electrones y la reacción será: +2 cuo Cu + 2eLo que indica que la barra de cobre gana peso.
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En cuanto a la reacción del ánodo (electrodo con carga negativa), se tiene una reacción de oxidación, puesto que el zinc pierde electrones, la reacción que representa este esquema esta descrita por: Zn0
Zn+2 +2e-
Cuál significa que la barra de zinc pierde peso. Por lo tanto en la pila se esta produciendo una reacción de oxidación y otra de reducción
Materiales que se necesitan para fabricar la pila de Daniel -Un bote de cristal -Vinagre-una barra de cobre -una barra de zinc -dos cables eléctricos -un LED (diodo emisor de luz), cuando pasa electricidad. Y va muy bien porque con poca corriente emite luz (3 V) Preparar el experimento: -Se llena el bote de cristal con vinagre -Con un extremo del cable se liga a barra de zinc y con un extremo del otro cable, se conecta la barra de cobre. Se introducen ambos elementos en el frasco con vinagre. -Los extremos libres de los dos cables se conectan bien a cada Terminal del LED. Conectar la polaridad de forma correcta. El polo positivo con la barra de cobre y el negativo con la barra de zinc.
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CONCLUCIONES:
la electroquímica está basada en las reacciones de oxido-reducción, donde se produce un cambio en los números de oxidación de los elementos implicados. El uso del puente salino es de vital importancia puesto que concentra las disoluciones y evita que se mesclen, además evita el potencial de unión. La fem medida es la suma de los dos potenciales electrónicos. El voltaje de las celdas galvánicas depende de la diferencia de potencial existente entre el cátodo y el ánodo. La electro analítica abarca un grupo de métodos analíticos cuantitativos que se basa en las propiedades eléctricas de una disolución de analito cuando forma parte de una celda electroquímica. Las celdas las podemos clasificar de acuerdo a las que producen energía eléctrica (celdas galvánicas) y las que consumen energía (celdas electroquímicas). El uso de las celdas electroquímicas es de vital importancia ya que hoy en día no habría un método tan factible de transformar energía eléctrica en química y viceversa.
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Bibliografía (2007), Uso De Reacciones Redox En La Medicina, recuperado el 30 de Abril de 2012, desde http://quimicaredox.blogspot.mx/2007/11/uso-de-reacciones-redox-en-medicina_29.html López Oscar, (2010), Celdas Electroquímicas, recuperado el 30 de Abril de 2012, desde http://quimica.laguia2000.com/general/celdas-electroquimicas La guía de química 200, A.C (2011) Celdas electroquímicas, recuperado el 29 de abril del 2012, desde http://quimica.laguia2000.com/general/celdas-electroquimicas http://quimica.laguia2000.com/general/celdas-electroquimicas Vázquez
Mario
(s.f)
Puente
salino,
recuperado
el
29
de
abril
del
2012,
desde
http://aprendeenlinea.udea.edu.co/lms/ova/mod/resource/view.php?inpopup=true&id=694 (s.f) Reacciones implicadas en las celdas electroquímicas, recuperado el 29 de abril del 2012, desde http://www.uia.mx/campus/publicaciones/quimanal/pdf/7reaccionesredox.pdf Chávez Idalberto (s.f) Mecanismo de funcionamiento general, recuperado el 29 de abril del 2012, desde http://www.cubasolar.cu http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/energia16/html/articulo04.htm /biblioteca/energia/energia16/html/articulo04.htm (2012) Aplicaciones en la vida cotidiana, recuperado el 29 de abril del 2012, desde http://www.ejemplos10.com/e/celdas-electroquimicas-en-la-vida-diaria/ Eco (s.f) Impacto ambiental por uso de pilas, recuperado el 29 de abril del 2012, desde http://ecoabc2.galeon.com/
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