ELECTROQUÍMICA
ELECTROQUÍMICA F) Ampere : Llamado también amperio. Es la unidad de base de la ELECTROQUÍMICA : La electroquímica es la parte de la química que estudia la relación entre la energía química y la energía eléctrica. Relaciona los fenómenos químicos con los fenómenos eléctricos. Se divide en dos partes: A) Eléctrólisis B) Celdas galvánicas
CONCEPTOS PREVIOS: Recuerde siempre estos conceptos para resolver correctamente los problemas sobre electrólisis. A) Volumen molar normal : En condiciones normales, una mol de cualquier gas ideal ocupa un volumen de 22,4 L. B) Faraday : Es la cantidad de carga eléctrica que se requiere para depositar o liberar un equivalente gramo de sustancia en un electrodo.
1 Faraday = 1 mol e - = 6,022 x 10 23 e- = 96 500 C
C) Coulomb : Es la cantidad de carga eléctrica que se requiere para depositar o liberar un equivalente electroquímico de sustancia en un electrodo. D) Equivalente gramo (Eq-g) : Es la masa equivalente expresada en gramos. Es la masa de sustancia que se libera o deposita en un electrodo al paso de un Faraday por un a solución electrolítica. E) Equivalente electroquímico (Eq-q) : Es la 96 500 ava parte del Eq-g. Es la masa de sustancia que se libera o deposita en un electrodo al paso de un coulomb por un a solución electrolítica.
1Eq-q=
1Eq-g 96 500 500
intensidad de corriente eléctrica en el sistema internacional de unidades. Es la intensidad de corriente eléctrica que se genera al paso de un coulomb en un segundo. Su símbolo es A.
ELECTRÓLISIS : Es la transformación de la energía eléctrica en energía química. Mediante este proceso se desarrollan reacciones químicas redox no espontáneas. Los compuestos químicos se desdoblan generalmente en sustancias más simples (elementales). El paso de un flujo de corriente eléctrica a través de un electrolito genera las reacciones redox de oxidación y reducción. Para desarrollar la electrólisis se tienen los siguientes elementos: A) Celda electrolítica : Es el recipiente (cuba electrolítica) que contiene el electrolito y los electrodos. B) Electrolito: Es una sustancia iónica o covalente polar, generalmente disuelta en agua; o si son sólidos cristalinos éstos deben estar fundidos. En estas condiciones los electrolitos se dividen hasta el nivel de iones los mismos que favorecen el paso de la corriente eléctrica. C) Electrodos: Son los terminales o polos de un sistema eléctrico. Los electrodos contactan el electrolito electrolito con la fuente. Pueden ser activos si participan en la reacción y por tanto sufren cambios químicos durante el proceso (Zn, Cu, Ag, Fe, Sn, etc.). También pueden ser inertes si no sufren cambios químicos en el proceso. (grafito, Pt, Pd, etc.). Se distinguen dos electrodos. I. Ánodo : Es el polo positivo. Atrae a los aniones (iones negativos) donde se produce su oxidación (pérdida de electrones). II. Cátodo : Es el polo negativo. Atrae a los cationes (iones positivos) donde se produce su reducción (ganancia de electrones). “EN EL ÁNODO SE PRODUCE LA OXIDACIÓN Y EN EL CÁTODO LA REDUCCIÓN”
D) Fuente de voltaje : Es aquel dispositivo que genera una diferencia de potencial entre los electrodos suficiente para que se den las reacciones de óxido reducción. Este dispositivo puede ser una pila o una batería. Como sabemos estos dispositivos producen corriente continua (intensidad y sentido constantes). E) Esquema básico para un equipo de electrólisis :
ELECTRÓLISIS DEL CLORURO DE SODIO FUNDIDO : El cloruro de sodio
ELECTRÓLISIS DEL AGUA ACIDULADA : Una solución diluida de agua acidulada con H 2SO4 (1M) se electroliza de tal manera que se recoge oxígeno en el ánodo: Oxidación: 2H 2O( )
O2(g) + 4H1+(ac) + 4e- … (1)
Reducción: 2H 2O( ) + 2e
H2(g) +
2OH-(ac) ...(2)
Siendo la reacción neta: (sume las ecuaciones 1 y 2 de tal manera que se cancelen los electrones transferidos).
2H2O( )
Reducción: Na+ + e- Na0(l) ...(1) Y los aniones se dirigen hacia el ánodo donde se oxidan hasta convertirse convertirse en cloro molecular gaseoso:
Oxidación: 2Cl -
e hidrógeno en el cátodo. -
NaCl se funde funde a 801 ºC, y se ioniza como se muestra: NaCl(l) Na+ + ClAl paso de la corriente eléctrica ( 4,07 V como mínimo y utilizando electrodos de grafito) los cationes Na + se orientan hacia el cátodo donde sufre reducción hasta convertirse en sodio metálico líquido:
2H2(g) + O2(g)
Nótese que en la electrólisis del agua los volúmenes de hidrógeno y oxígeno están en la relación de 2 a 1.
Cl2(g) + 2e- … (2)
De tal manera que la reacción neta: (sume las ecuaciones 1 y 2) es:
2NaCl( )
2Na(l) + Cl2(g)
Por ejemplo si se se conectan tres celdas electrolíticas en serie y las sustancias que se depositan en los electrodos son A, B y C, si cumple:
mA LEYES DE FARADAY PARA LA ELECTRÓLISIS: Los procesos electrolíticos se basan en dos leyes que M. Faraday explicó magistralmente. 1. Primera ley de Faraday : La masa depositada o liberada de una sustancia en un electrodo, es directamente proporcional a la cantidad de corriente que pasa por el circuito. Matemáticamente se expresa de la siguiente forma:
m=
Eq-g 96 500 500
.q
m=
Eq-g 96 500 500
. I. t
De tal forma que la masa resulta en gramos, si la carga “q” se expresa en gramos o si la co rriente “I” se expresa en amperes y el tiempo “t” en segundos.
2. Segunda ley de Faraday :Si varias celdas electrolíticas están asociadas en serie y cada una contiene diferentes electrolitos, la masa de sustancia que se deposita o libera en los electrodos es directamente proporcional a las respectivas masas equivalentes.
MeqA
mB MeqB
mC MeqC
APLICACIONES DE LA ELECTROQUÍMICA: Los conceptos y leyes de la electroquímica tienen amplia aplicación en: A) Fabricación de pilas y baterías como pilas secas, pilas de Ag-Zn, acumuladores de plomo-ácido y acumuladores de Edison. B) Refinación electrolítica de metales como el antimonio, cadmio, oro, plata, zinc, sodio, etc. C) En laboratorio para análisis químico.
PROBLEMAS RESUELTOS 1. (U.N.M.S.M.-2003)A través de una solución de CrSO 4 se transporta 9650 coulomb. ¿Cuántos gramos de cromo se deposita en el cátodo? Dato : Cr=52,0 A) 2,6 B) 5,2 C) 7,8 D) 26 E) 1,3
RESOLUCIÓN:
i) Se trata de del sulfato de cromo (II), entonces el equivalente-gramo del cromo es: Eq-g(Cr) = m.A./ = 52/2 = 26 ii) Luego calculamos la masa de cromo que se deposita en el cátodo, al paso de 9 650 coulombs:
m= m=
Eq-g 96 500 500 26 96 500 500
i) Se trata de del cloruro de níquel (II), entonces el equivalente-gramo del níquel es: Eq-g(Ni) = m.A./ = 58/2 = 29 ii) Luego calculamos la masa de níquel que se deposita en el cátodo, al paso de 48 250 coulombs:
. 9650
Rpta. A 2. (U.N.M.S.M.-2004-I)En la electrólisis de una solución de AgNO 3, se deposita 1,08 g de Ag al aplicar una corriente de 0,5 A, el tiempo requerido es: Dato : P.A. Ag=108 g/at-g A) 482 s B) 32 min C) 1 654 D) 8 min E) 1 930 s
RESOLUCIÓN:
96 500 500
1,08 =
96 500 500
m=
Eq-g 96 500 500 29 96 500 500
.q . 48 250
m = 14,5 14,5 g
Rpta. A
circular en una solución de ZnCl 2 para que se deposite 6,54 g de zinc, durante 1 hora? Datos : 1 F = 96 500 C ; Peso atómico : Cu=65,4 A) 2,7 B) 2,6 C) 1,3 D) 3,5 E) 5,4
. I. t
108
m=
4. (U.N.M.S.M.-2008-II)¿Qué cantidad de corriente en amperios debe
m = 1,08 g ; I = 0,5 0,5 A ; t = ? ; para para la plata plata = 1 i) Calculamos el equivalente-gramo de la plata: Eq-g(Ag) = m.A./ = 108/1 = 108 ii) Luego, se cumple:
Eq-g
al aplicar una carga de 48 250 coulombios a una solución de NiCl 2? Dato : P.A. Ni=58 ; 1F=96 500 C A) 14,5 B) 9,6 C) 29,0 D) 64,5 E) 58,0
RESOLUCIÓN:
.q
m= 2,6 2,6 g
m=
3. (U.N.M.S.M.-2004-I)¿Cuántos gramos de Ni se depositan en el cátodo
RESOLUCIÓN: m = 6,54 g ; I = ?; t = 1 h = 3 600 s ; para el zinc i) Calculamos el equivalente-gramo del zinc: Eq-g(Zn) = m.A./ = 65,4/2 = 32,7 ii) Luego, se cumple:
. 0, 0,5 . t
t = 1930 s
Rpta. E
=2
m=
Eq-g 96 500 500
6,54 =
Rpta. D
. I. t
32,7 96 500 500
PRÁCTICA . I . 3 600
I = 5,4 A
Rpta. E 5. (U.N.M.S.M.-2009-II)En la electrólisis de una solución de AgNO 3 se deposita 1,08 g de Ag en el cátodo. El volumen (en mL) de oxígeno, a condiciones normales, que se libera en el ánodo será: Datos : Ag=108 uma, a C.N. el volumen de un mol de gas es 22,4 L; 1 F = 96 480 C. A) 224 B) 112 C) 168 D) 56 E) 28
RESOLUCIÓN: i) Las masas que se depositan en los electrodos son proporcionales a las respectivas masas equivalentes. Calculamos la masa de oxígeno que se libera en el ánodo. Para esto recordemos que la masa equivalente de la plata es 108 y la del oxígeno es 8, entonces: mAg
mO2
= MeqAg MeqO2 1,08 g mO2 = 108 8 MO2 =0,0 =0,08g ii) Luego como la masa molecular del O 2 es 32; 1 mol de O 2 o sea 32 g de O2 ocupa un volumen de 22,4 L, por lo tanto:
1 mol O2 =32gO =32gO 2 22,4L 0,08g O2 x X = 0,056 L = 56 mL
1. Dadas las proposiciones, indique si son verdaderas (V) o falsas (F). I. La electrólisis es la transformación de la energía eléctrica en energía química. II. Mediante la electrólisis, los compuestos químicos se pueden descomponer en sustancias más simples. III. En la electrólisis se utiliza corriente continua. A) FFF
B) FVF
C) VFV
D) VVF
E) VVV
2. Respecto a los elementos de la electrólisis, indique las proposiciones que son correctas: I. Los electrolitos son sustancias iónicas o covalentes polares fundidas o disueltas en agua. II. Los electrodos son siempre inertes. III. La corriente fluye del cátodo al ánodo. A) Sólo I
B) Sólo II
C) I y III
D) I, II y III
E) II y III
3. Señale la afirmación incorrecta, respecto a la electrólisis del agua. A) El agua acidulada diluida se descompone en hidrógeno y oxígeno gaseosos. B) En el cátodo se recoge hidrógeno gaseoso. C) En el ánodo se recoge oxígeno gaseoso. D) El volumen del oxígeno gaseoso es el doble del volumen del hidrógeno gaseoso. E) Corresponde a una reacción de óxido reducción. 4. La electrólisis es un proceso donde: I. Se desarrollan reacciones redox no espontáneas. II. La corriente se direcciona del ánodo al cátodo.
III. Algunos electrodos son activos y se consumen mientras dure el fenómeno. A) Sólo I
B) Sólo II
C) Sólo III
D) I y II
E) I, II y III
5. ¿Qué masa, en gramos, de oxígeno se libera en el ánodo si se usan 5 faraday de carga? A) 24
B) 16
C) 30
D) 36
10. Cuando se electroliza el cloruro de sodio fundido, en el ánodo se recoge: A) oxígeno D) cloro
11. ¿Cuánto tiempo se requiere para depositar 650 g de zinc en la electrólisis de ZnCl2 cuando se usan 9,65 A?. m.A. (Zn) = 65.
E) 40 A) 4,17 s
6. ¿Qué volumen, en condiciones normales, de hidrógeno se libera libera en el cátodo si se usa una carga de 10 faraday? A) 11,2 L
B) 112
C) 56
D) 224
E) 22,4
7. A través de una solución electrolítica que contiene (Cu +2) pasan 5 moles de electrones. ¿Qué masa de cobre se deposita en el cátodo? (m.A. Cu = 64) A) 160 g
B) 80
C) 64
D) 320
E) 240
8. Señale las proposiciones que son correctas. I. 1 C = 96 500 F II. 1 Eq-q = 1 Eq-g/96 500 23 III. 1 F = 6,022 x 10 e A) Sólo I
B) Sólo II
C) Sólo III
D) II y III
B) sodio C) hidrógeno E) hidróxido de sodio
B) 2.106
C) 2.105
D) 8,25
E) 2.10 7
12. Se pasaron 193 000 C por una solución de nitrato de aluminio. ¿Cuál es la masa de aluminio que se deposita en el cátodo?. m.A.(Al) = 27.
A) 12 g
B) 13
C) 18
D) 15
E) 16
13. Si en el cátodo de una celda electrolítica que contiene AgNO 3 se han depositado 5,4 g del metal durante 965 segundos. ¿Qué intensidad de corriente eléctrica se utilizó? m.A. (Ag) = 108. A) 3,5 A
B) 4,5
C) 4
D) 2,5
E) 5
14. ¿Cuál es la intensidad de la corriente que en 96,5 segundos deposita 1,2 g de magnesio? m.A. (Mg) = 24. E) I, II y III A) 0,011 A B) 21,20
C) 50
D) 84,65
E) 100
9. Cuando se electroliza el agua acidulada, en el cátodo se recoge: A) azufre D) iones oxidrilo
B) hidrógeno E) iones hidronio
C) oxígeno
15. Dadas las proposiciones, respecto a la electrólisis, indique si son verdaderas (V) o falsas (F). I. En el cátodo se produce la reducción. II. En el ánodo se desarrolla la oxidación.
III. Los electrolitos sólo son soluciones acuosas. A) FFF
B) FVF
C) VFV
D) VVF
E) FVV
16. ¿Cuántos gramos de hierro se depositan electrolíticamente a partir de una solución que contiene Fe +3 en una hora por el paso de 10 amperios? m.A. (Fe) = 56.
A) B) C) D) E)
1 Faraday es un mol de electrones. 1 Eq-g es la masa equivalente expresada en g ramos. La masa equivalente del oxígeno 8 La masa equivalente del hidrógeno es 1. Con un faraday se puede depositar o liberar 1 Eq-q de sustancia en un electrodo.
4. La intensidad de corriente eléctrica se expresa en: A) 2,34
B) 1,34
C) 0,16
D) 0,78
E) 6,96 A) ampere D) faradio
AUTOEVALUACIÓN 1. Dadas las proposiciones, respecto a la electrólisis, indique si son verdaderas (V) o falsas (F). I. Los cationes se oxidan en el ánodo. II. Los aniones se reducen en el cátodo. III. Los electrones se mueven del ánodo al cátodo. A) FFV
B) FVF
C) VFV
D) VVF
E) FVV
I.
Si se electroliza el agua acidulada se obtiene hidrógeno en el ánodo. II. Si se electroliza el agua acidulada se debe usar corriente continua. III. Para electrolizar el agua se debe usar una solución concentrada de ácido sulfúrico. B) Sólo II
C) I y III
3. Indique la proposición incorrecta:
D) I, II y III
C) faraday
5. ¿Cuántos gramos de hidrógeno se liberan al paso de 8 faraday? A) 2
B) 4
C) 1
D) 8
E) 16
6. ¿Cuántos faraday deben pasar por una solución electrolítica para liberar 10 g de hidrógeno?
2. Indique las proposiciones correctas respecto a la electrólisis:
A) Sólo I
B) coulomb E) ohmio
E) II y III
A) 10
B) 20
C) 30
D) 40
E) 50
7. En una celda electrolítica, durante 4 horas se depositan 48 g de magnesio a partir de MgCl 2. Determine la carga empleada en faraday. m.A.(Mg) = 24. A) 1
B) 2
C) 3
D) 4
E) 5
8. ¿Cuántos coulombs se requieren para producir 5,4 g de Ag por electrólisis de una solución de nitrato de plata? A) 9 650
B) 1 206
C) 3 217
D) 2 412
E) 4 825
9. ¿A cuántos faraday equivale una corriente de 10 A que circula en una celda de electrolítica durante 1 930 s?
4
-1
A) 1,93.10 D) 2,00.10
B) 2,00.10 E) 1,93.10 3
C) 1,93.10
5
10. La masa en gramos de plata que se deposita en el electrodo respectivo cuando se hace pasar 6 F a través de una solución de CuSO4, es: m.A. (Cu) = 63,5.
C) Se utiliza corriente alterna. D) La corriente circula del ánodo al cátodo. E) Los electrodos pueden ser inertes o activos. 2. Una carga de 96 500 C equivale a: A) 1F
A) 108
B) 190,5
C) 22
D) 27
B) 2 F
C) 3F
D) 4F
E) 5F
E) 11 3. ¿Cuántos faraday deben pasar por una solución electrolítica para liberar 40 g de hidrógeno? A) 40
ingenio helicoidal
B) 26
C) 39
D) 52
C) 120
D) 160
E) 200
4. Dadas las proposiciones, respecto a la electrólisis del agua acidulada, indique si son verdaderas (V) o falsas (F).
11. Se tienen dos celdas electrolítica conectadas en serie. La primera contiene una solución de CrCl 2 y la segunda una solución de AgNO3. Si en el cátodo de la segunda se recoge 54 g de plata.¿Cuántos gramos de cromo se recogen en el cátodo de la primera celda? m.A. (Cr) = 52., m.A.(Ag) = 108. A) 13
B) 80
E) 65
I. En el cátodo se obtiene oxígeno g aseoso. II. En el ánodo se obtiene hidrógeno gaseoso. III. Se puede utilizar una solución diluida de ácido sulfúrico. A) FFV
B) FVF
C) VFV
D) VVF
E) FVV
5. ¿Qué volumen, en condiciones normales, normales, de oxígeno se libera en el ánodo si se usa una carga de 5 faraday?
12. ¿Cuál es la carga eléctrica de 5 electrones (en faraday)? A) 1,12 L -24
A) 8,3.10 D) 1,2.10-23
-22
B) 3,6.10 E) 1,2.10 -24
C) 4,8.10
TAREA 1. Indique la proposición incorrecta respecto a la electrólisis. A) La oxidación se produce en el ánodo. B) La reducción se produce en el cátodo.
B) 28
C) 5,6
D) 22,4
E) 56
-24
6. Si en el cátodo de una celda electrolítica que contiene MgCl 2 se han depositado 1,2 g del metal durante 9 650 segundos. ¿Qué intensidad de corriente eléctrica se utilizó? m.A. (Mg) = 24. A) 1 A
B) 2
C) 3
D) 4
E) 5
7. ¿Cuántos faraday se necesitan para que se descomponga electrolíticamente 180 g de agua? Dato : 1 faraday = 96 500 coulomb A) 26 B) 6 C) 10 D) 40 E) 20 8. ¿Cuántos gramos de aluminio se depositarán electrolíticamente a partir de una solución que contiene Al +3, en un cuarto de hora por una corriente de 2 A? A) 0,250
B) 0,168
C) 1,250
D) 3,450
E) 1,075
9. Dadas las proposiciones, respecto a la electrólisis del cloruro de sodio fundido, indique si son verdaderas (V) o falsas (F). I. En el cátodo se obtiene sodio metálico. II. En el ánodo se obtiene cloro g aseoso. III. Se puede electrolizar esta sal utilizando la energía eléctrica producida por una batería. . A) FFV
B) VVF
C) VFV
D) VVV
E) FVV
10. Dos celdas electrolíticas se conectan en serie. La primera contiene una solución de AlCl3 y la segunda una solución de CuSO 4. En el cátodo de la primera celda se recoge 540 g de aluminio. ¿Cuántos
gramos de cobre se recogen en el cátodo de la segunda celda? m.A.(Al) = 27., m.A.(Cu) = 64. A) 3 200
B) 1 600
C) 1 920
D) 4 800
E) 960
