“Año de la Diversifcación Productiva y del Fortalecimiento Fortalecimiento de la Educación “
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
ESCUELA ACADÉMCA P!"FES"#AL DE #$E#E!%A &U%MCA AM'E#(AL AM'E#(AL E #$E#E!A &UMCA DE $AS #A(U!AL ) E#E!$A
CA(ED!A CA (ED!A** &UMC &UMCA A $E#E!AL ELECTROQUIMICA: CELDAS GALVANICAS DOCENTE: Ing. MENDOZA SANCHEZ, Juana M. INTEGRANTES: ESPINOZA CHANC A
I.Q.G.N.E
GAGO OBISPO JHON
I.Q.G.N.E
JIME JI MENE NEZ Z CHUQU CHUQUIMA IMANT NTA ARI JIMMY JIMMY
I.Q. I. Q.G. G.N. N.E E
PARRAGA QUISPE ALICIA
I.Q.A
SURICHAQUI RA RAMOS RO RONNIE
I.Q.G.N.E
SEMESTRE: II HUANCAYO - PERÚ !"#
A'S(!AC( In the present practice of chemistry lab course 2 will be released information and data theme electrochemistry, in this particular case the galvanic cells are treated. A galvanic cell comprises two. In its simplest form, each half-cell comprises a metal and a solution of a metal salt, the salt solution contains a metal cation and an anion to balance the charge of the cation, in this laboratory use with zinc sulfate the alumin minum electrode since the alu aluminum can rep replace cin since their electronegativities are almost the same. In a galvanic cell is a metal cation capable of reducing the other and instead, the other cation can oxidize the first metal. he two half-cells must be physically separated so that solutions do not mix. A salt bridge or a porous plate is used to separate two solutions, in this case we use the filter paper dipped in potassium chloride. he galvanic cell voltage is the sum of the potentials of the two half-cells. Is measured by connecting a voltmeter to the two electrodes. !hen a device such as an electric motor is connected to the electrodes and an electric current flows redox reactions occur in both half-cells. his will continue until the concentration of the cations which are reduced close to zero.
+
!ESUME# "n la presente practica de laboratorio del curso #u$mica 2, se dar% a conocer la informaci&n y datos del tema de la electro#u$mica, en este caso particular se trataran las celdas galv%nicas. 'na celda galv%nica consta de dos. "n su forma m%s simple, cada semipila consta de un metal y una soluci&n soluci&n de una sal del metal, la soluci&n de la sal contiene un cati&n del metal y un ani&n para e#uilibrar e#uilibrar la carga del cati&n, en este laboratorio laboratorio utilizaremos el sulfato de cinc con el electrodo de aluminio debido a #ue el alumin aluminio io puede puede sustitu sustituir ir al cin ya #ue sus electr electrone onegat gativi ividad dades es son casi las mismas. "n una pila galv%nica de un metal es capaz de reducir el cati&n del otro y por el contrario, el otro cati&n puede oxidar al primer metal. (as dos semipilas deben estar separadas f$sicamente de manera #ue las soluciones no se mezclen. )e utiliza un puente salino o una placa porosa para separar las dos soluciones, en este caso utilizaremos el papel filtro remo*ado en cloruro de potasio. "l volta*e de la pila galv%nica galv%nica es la suma de los potenciales potenciales de las dos semipilas. )e mide conectando un volt$metro a los dos electrodos. +uando un dispositivo como un motor elctrico se conecta a los electrodos fluye una corriente elctrica y las reacciones redox se producen en ambas semipilas. "sto continuar% hasta #ue la concentraci&n de los cationes #ue se reducen se aproxime a cero.
,
%#DCE A)A+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------ii ")'/"0-----------------------------------------------------------------------------------------------------------iii I.
I01'++I10--------------------------------------------------------------------------------------------vi
II. 3'0 3'0A/ A/" "01 01 "4 "4I+ I+1 1 --------------------------------------------------------------------------------. 2.5.
"("+ "+1 16'I/I+A-----------------------------------------------------------------------------------.
2.2 2.2.
"'+ "'++ +I10 7 18I 18IA+ A+I1 I10 0 -----------------------------------------------------------------------+
+-+-.+-+-.- DEF#C/ DEF#C/# # DE "0DAC 0DAC/# /# ) !EDUCC/# !EDUCC/#------------------------------------------------------------------+ --------+ +-+-++-+-+- P!#CP P!#CPALES ALES ES(AD"S ES(AD"S DE "0DAC 0DAC/#---/#-----------------------------------------------------------------------+ ---------+ 2.9 2.9. +"( "(A) :A( :A(;A0I+A 0I+A) )------------------------------------------------------------------------------+ 2.9. 2.9.5. 5. ")+ ")+I I<+ <+I1 I10 0 " " +"( +"(A A) ) :A( :A(;A0I+A 0I+A) )--------------------------------------------+ 2.=. 2.=. (A 3'" 3'">A >A "("+ "("+ 1/ 1/1 1I I> >------------------------------------------------------------------1 2.=.5. 2.=.5. <1"0+ <1"0+IA( IA(") ") " "("+ "("+1 11 1 7 3'">A 3'">A "("+ "("+1/1 1/1I I> > " '0A '0A 2
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1
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#(!"DUCC"#
"sta pr%ctica se basa en el estudio de las celdas galv%nicas realizando el experimento debido, donde se obtendr% la intensidad de corriente de la celda y m%s informaci&n. 'na +elda :alv%nica GpilaH transforma la energ$a #u$mica en energ$a elctrica parte de esa energ$a #u$mica se transforma en calor y el resto en corriente elctrica. "xisten dos clases de pilas? la primaria, cuya carga no puede renovarse cuando se agota, excepto reponiendo las sustancias #u$micas de #ue est% compuesta, y la secundaria, #ue s$ es susceptible de reactivarse sometindola al paso m%s o menos prolongado de una corriente elctrica continua, en sentido inverso a a#ul en #ue la corriente de la pila fluye normalmente. (a pila seca comJn #ue se emplea, por e*emplo, en las l%mparas port%tiles es una pila primaria. "l primer uso y tal vez el m%s importante, es la aplicaci&n de los principios de funcionamiento para fabricar todo tipo bater$as, tambin otro uso generalizado es la galvanizaci&n o galvanizado, #ue es un proceso por el cual se puede recubrir la superficie de un metal con otro, usado para galvanizar l%minas de hierro con zinc para los techos y protegerlos de la oxidaci&n, en *oyas de ba*o costo con un recubrimiento de oro y en decoraci&n de art$culos domsticos.
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"'8E(9"S
"'8E(9" $E#E!AL +omprobar si experimentalmente se transfieren electrones.
"'8E(9"S ESPECFC"S emostrar experimentalmente #ue el potencial de la celda galv%nica con electrodos de cinc y cobre es 5.5E ;. efinir y diferenciar los trminos de oxidaci&n, reducci&n, %nodo y c%todo.
2
-
FU#DAME#(" (E/!C"
-.- ELEC(!"&UMCA (a electro#u$mica es la rama de la #u$mica la cual se encarga de estudiar la conversi&n entre la energ$a elctrica y la energ$a #u$mica .los procesos electro#u$micos son reacciones redox Goxidaci&n y reducci&nH #ue se explicara posteriormente en las cuales la energ$a liberada por una reacci&n espont%nea se convierte en electricidad o a la energ$a elctrica se aprovecha para provocar una reacci&n #u$mica no espontanea. G+hang , 2E5EH Fa sido definida cl%sicamente como la ciencia #ue trata de los cambios #u$micos producidos por la corriente elctrica, y de la producci&n de electricidad mediante la energ$a de reacciones #u$micas. e&ricamente, las dos ramas son de igual importancia. )in embargo, industrialmente, los cambios #u$micos y f$sicos producidos por el uso de la corriente elctrica son, con mucho, los m%s importantes. Ingenier$a electro#u$mica. G/antell , 5DCEH. (os procesos electro#u$micos son estudios por la #u$mica desde la antigKedad. (a electro#u$mica debe entenderse como la rama de la #u$mica #ue estudia las interacciones entre la energ$a elctrica y las reacciones #u$micas, tipos de interacciones? (a electricidad #ue se hace pasar por una soluci&n i&nica genera reacciones #u$micas no espontaneas de oxidaci&n y reducci&n? como caso especial esta la galvanoplastia, #ue en casos particular recibe los nombres de cromato, cobrizado, etc. )egJn sea el ion met%lico empleado en el proceso. eacciones espontaneas de oxidaci&n y reducci&n generan energ$a elctrica? es el caso de las pilas y bater$as comerciales. +on base en estos procesos se explican los procesos de corrosi&n electrol$tica #ue ocurren en los materiales met%licos. (os fen&menos electro#u$micos ocurren en una celda para la primera interacci&n, las celdas se denominan electrol$ticas y para la segunda interacci&n de denominan celdas galv%nicas o voltaicas, celdas es el sistema donde se llevan a cabo las interacciones electro#u$micas, est%n constituidas por? 'n recipiente #ue soporta los elementos y sustancias #ue intervienen en el proceso. .
'n electrolito o sustancia #ue en soluci&n conduce la electricidad, pues, tiene aniones y cationes. G+orrea , 2EE2H
3ig 5.representacicon del significado de electro#u$mica
-+- !EDUCC"# ) "0DAC"# II.2.5. "3I0I+I40 " 18IA+I40 7 "'++I40. "l trmino oxidaci&n comenz& a usarse para indicar #ue un compuesto incrementaba la proporci&n de %tomos de 1x$geno. Igualmente, se utiliz& el trmino de reducci&n para indicar una disminuci&n en la proporci&n de ox$geno. Actualmente, ambos conceptos no van ligados a la mayor o menor presencia de 1x$geno. )e utilizan las siguientes definiciones? 18IA+I40? <rdida de electrones Go aumento en el nJmero de oxidaci&nH. "'++I40? :anancia de electrones Go disminuci&n en el nJmero de oxidaci&nH.
+
)iempre #ue se produce una oxidaci&n debe producirse simult%neamente una reducci&n. +ada una de estas reacciones se denomina semireacci&n. "L"/<(1)? 5. )i introducimos un electrodo de cobre en una disoluci&n de Ag01 9, de manera espont%nea el cobre se oxidar% pasando a la disoluci&n como +u 2M, mientras #ue la AgM de la misma se reducir% pasando a ser plata met%lica? aH +u N +u2M M 2e O Goxidaci&nH bH AgM M 5e O N Ag Greducci&nH. 2. Igualmente, al introducir una l%mina de cinc en una disoluci&n de n N >n2M M 2e O Goxidaci&nH n(s) se produce >n+l2 y se desprende F2 (g) #ue, al ser un gas inflamable, produce una pe#uePa explosi&n al acercarle una cerilla encendida.
,
3ig. 2 epresentaci&n de "18
"L"/<(1? +omprobar #ue la reacci&n de formaci&n de hierro? 3e219 M 9 +1 N 2 3e M 9 +1 2 "s una reacci&n redox. Indicar los ".1. de todos los elementos antes y despus de la reacci&n. educci&n? "l 3e disminuye su ".1. de M9 a E luego se reduce Gcada %tomo de 3e captura 9 electronesH. 1xidaci&n? "l + aumenta su ".1. de M2 a M= luego se oxida Gen este caso pasa de compartir 2e O con el 1 a compartir los = electronesH. 3e219 M 9 +1 N 2 3e M 9 +1 2 ".1.? M9 O2 M2 O2 E M=
3ig.9. epresentaci&n de reduccion 6
"L"/<(1 CO2
? el %tomo de carbono forma dos enlaces covalentes con dos %tomos de oxigeno /%s electronegativo #ue l. +omparte el =eO, pero para saber cu%les son el estado de oxidaci&n. Fay #ue suponer #ue el carbono los pierde, y #ue el ox$geno los gana, con lo cual la carga #ue tendr$a el carbono ser$a “M=Q y la del ox$geno “O2Q : estado de oxidaci&n. G+H R M= ".1. G1H R O2. "l azufre tiene estados de oxidaci&n M2, M= y M segJn comparta 2, = o los electrones de valencia con un elemento m%s electronegativo Gpor e*emplo oxigenoH. +S(+'(1 " ")A1 " 18IA+I40 G".1.H. (a suma de los ".1. de una molcula neutra es siempre E y de un ion es igual a su carga elctrica. "L"/<(1 " +S(+'(1 " ")A1) " 18IA+I40 G".1.H. +alcular el estado de oxidaci&n del azufre en
ZnSO 4
".1. G>nH R M2 ".1. G1H R O2 M2 M ".1. G)H M = GO2H R E : ".1. G)H R M )i se trata de un ion monoat&mico es igual a su carga. "s la carga #ue tendr$a un %tomo si todos sus enlaces fueran i&nicos, es decir, considerando todos los enlaces covalentes polares como si en vez de tener fracciones de carga tuvieran cargas completas. "n el caso de enlaces covalentes polares habr$a #ue suponer #ue la pare*a de electrones compartidos est%n totalmente desplazados hacia el elemento m%s electronegativo. "l "stado de oxidaci&n no tiene por#u ser la carga real #ue tiene un %tomo, aun#ue a veces coinciden.
1
-+-+- P!#CPALES ES(AD"S DE "0DAC/# odos los elementos en estado neutro tienen ".1. R E. "l ox$geno G1H en &xidos, %cidos y sales ox%cidas tiene ".1. R O2. "l hidr&geno GFH tiene ".1. R O5 en los hidruros met%licos y M5 en el resto de los casos #ue son la mayor$a. (os metales formando parte de molculas tienen ".1. positivos.
-,- CELDAS $AL9A#CAS 'na celda galv%nica o voltaica es un dispositivo experimental para generar electricidad mediante una reacci&n redox espont%nea. (as +eldas galv%nicas, son un dispositivo en el #ue la transferencia de electrones, Gde la semireacci&n de oxidaci&n a la semireacci&n de reducci&nH, se produce a travs de un circuito externo en vez de ocurrir directamente entre los reactivos de esta manera el flu*o de electrones Gcorriente elctricaH puede ser utilizado. (a celda galv%nica o celda voltaica, denominada en honor de (uigi :alvani y Alessandro ;olta respectivamente, #uienes fabricaron las primeras celdas de este tipo. "s una celda electro#u$mica #ue obtiene la energ$a elctrica a partir de reacciones redox espont%neas #ue tienen lugar dentro de la misma.
-,-.- DESC!PC"# DE CELDAS $AL9A#CAS 'na celda galv%nica consta de dos semipilas Gdenominadas tambin semiceldas o electrodosH. "n su forma m%s simple, cada semipila consta de un metal y una soluci&n de una sal del metal. (a soluci&n de la sal contiene un cati&n del metal y un ani&n para e#uilibrar la carga del cati&n. "n esencia, la semipila contiene el metal en dos estados de oxidaci&n, y la reacci&n #u$mica en la semipila es una reacci&n redox, escrito simb&licamente en el sentido de la reducci&n como? n +¿ ( especie oxidada ) + n e ↔ M ( especie reducida ) ¿ M -
(os componentes fundamentales de las celdas galv%nicas se ilustran en la figura 'na se sumerge en una disoluci&n de CuSO4 .. "l funcionamiento de las celdas se basa en el principio de #ue la oxidaci&n 2 +¿ 2 +¿ Zn a Cu se puede llevar a cabo ¿ y la reducci&n de Zn Cu¿ a simult%neamente, pero en recipientes separados, con la transferencia de electrones a travs de un alambre conductor externo. (as barras de zinc y cobre ser$an los electrodos. "sta distribuci&n particular de electrodos (Zn y Cu) y de disoluciones G ZnSO 4 y CuS O4 H "n una celda galv%nica, el %nodo es, por definici&n, el electrodo en el #ue se lleva a cabo la oxidaci&n, y el c%todo es el electrodo donde se efectJa la reducci&n. (as reacciones de oxidaci&n y de reducci&n en los electrodos es decir, las reacciones de semicelda, son? −¿ ¿ 2 +¿+ 2 e ¿ Electrodode Zn ( ánodo ) : Zn( s) → Zn(ac ) −¿ → Cu( s ) ¿ 2 +¿+ 2 e ¿ Electrodode Cu ( cátodo ) : Cu( ac ) 1bserve #ue los iones
2 +¿ ¿ Cu
reaccionar%n directamente con la barra de
zinc, a menos #ue las disoluciones estn separadas? 2 +¿ ¿ 2 +¿+ Zn( s ) → Cu( s) + Zn(ac ) ¿
Cu( ac )
, cuyos iones no reaccionar%n con los iones de la disoluci&n o
con los electrodos Gfigura5.H. urante el curso de la reacci&n redox global, los electrones fluyen externamente desde el %nodo Gelectrodo Zn H hacia +¿ ¿ 2 +¿ y K Cu el c%todo Gelectrodo de H. "n la disoluci&n, los cationes G 2 +¿ , Cu¿ H ¿
Zn
−¿ ¿ 2−¿ y Cl se mueven hacia el c%todo y los aniones G H se dirigen hacia el SO¿4 %nodo Gcuando parte de los iones
2 +¿
Z n¿ H y cargas negativas en el del
2 +¿ c%todo Gcuando parte de los iones Cu¿ a Cu H, impidiendo #ue la celda
funcione.
3ig.=. representaci&n de celdas galv%nicas
"n una pila galv%nica de un metal es capaz de reducir el cati&n del otro y por el contrario, el otro cati&n puede oxidar al primer metal. (as dos semipilas deben estar separadas f$sicamente de manera #ue las soluciones no se mezclen. )e utiliza un puente salino o una placa porosa para separar las dos soluciones.
'na celda galv%nica. "l puente salino Gun tubo en forma de ' invertidaH, #ue "l nJmero de electrones transferidos en ambas direcciones debe ser el mismo, as$ contiene una disoluci&n de 0a+l, proporciona un medio elctricamente las dos semipilas se combinan para dar la reacci&n electro#u$mica global de la conductor entre ambas disoluciones. (as aperturas del tubo en forma de ' celda.
m+¿+ m e ↔ B ¿ B
n+ ¿ m+¿ ↔ n B + m A ¿ m A + n B¿
T+4/1 3'0+I10A '0A +"(A :A(;S0I+AU "n la semicelda an&dica ocurren las oxidaciones, mientras #ue en la semicelda cat&dica ocurren las reducciones. "l electrodo an&dico, conduce los electrones #ue son liberados en la reacci&n de oxidaci&n, hacia los conductores met%licos. "stos conductores elctricos conducen los electrones y los llevan hasta el electrodo cat&dico los electrones entran as$ a la semicelda cat&dica producindose en ella la reducci&n. n V >n2M VV +u2M V +u
-6- LA FUE!;A ELEC(!"M"(!;
"l volta*e o fuerza electromotriz G3"/H suministrado por una pila galv%nica, #ue se designa por
E( pila ) , mide la diferencia de potencial entre sus dos
electrodos. 3."./ R potencial c%todo O potencial %nodo?
"n el caso de las celdas galv%nicas tambin debe existir una diferencia de potencial elctrico, y el traba*o #ue realiza cada unidad de carga al ir de un punto a otro se denomina fuerza electromotriz G3."./H. "st%s magnitudes son numrica y dimensionalmente iguales. 'n voltio es la diferencia de potencial elctrico necesaria para impartir un *oule de energ$a a una carga de un coulomb? 1V =
1 J 1 C
(a fuerza electromotriz G3"/H es toda causa capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una corriente elctrica en un circuito cerrado. "s una caracter$stica de cada generador elctrico. +on car%cter general puede explicarse por la existencia de un campo electromotor cuya circulaci&n, define la fuerza electromotriz del generador. G/antell, 2EE9H T+4/1 )" ""/I0A (A 3."./. " '0A +"(AU 7a #ue es igual a la diferencia de potencial, lo #ue se hace es darle valores referenciales de potencial a los diversos procesos de oxidaci&n y reducci&n. "stos valores dependen de las condiciones de temperatura, presi&n y concentraci&n en #ue se lleve a cabo el proceso
)e define como el traba*o #ue el generador realiza para pasar por su interior la unidad de carga positiva del polo negativo al positivo, dividido por el valor en +ulombios de dicha carga. G/antell, 2EE9H "sto se *ustifica en el hecho de #ue cuando circula esta unidad de carga por el circuito exterior al generador, desde el polo positivo al negativo, es necesario realizar un traba*o o consumo de energ$a Gmec%nica, #u$mica, etcteraH para transportarla por el interior desde un punto de menor potencial Gel polo negativo al cual llegaH a otro de mayor potencial Gel polo positivo por el cual saleH. G/antell, 2EE9H (a 3"/ se mide en voltios, al igual #ue el potencial elctrico.
!=
"
)e relaciona con la diferencia de potencial ; entre los bornes y la resistencia interna del generador mediante la f&rmula "R; M Ir Gel producto Ir es la ca$da de potencial #ue se produce en el interior del generador a causa de la resistencia &hmica #ue ofrece al paso de la corrienteH. (a 3"/ de un generador coincide con la diferencia de potencial en circuito abierto. G/antell, 2EE9H (a fuerza electromotriz de inducci&n Go inducidaH en un circuito cerrado es igual a la variaci&n del flu*o de inducci&n del campo magntico #ue lo atraviesa en la unidad de tiempo, lo #ue se expresa por la f&rmula de la (ey de 3araday? ? =
∈
# # t
"l signo - G(ey de (enzH indica #ue el sentido de la 3"/ inducida es tal #ue se opone al descrito por la ley de 3araday. G/antell, 2EE9H
EN QU$MICA:
-6-.- P"(E#CALES DE ELEC(!"D" ELEC(!"M"(!; DE U#A PLA
)
FUE!;A
"l potencial o fuerza electromotriz de una pila se puede predecir a travs de la utilizaci&n de los potenciales de electrodo, las tensiones de cada semicelda. (a diferencia de volta*e entre los potenciales de reducci&n de cada electrodo da una predicci&n para el potencial medido de la pila. G(aitinen y Farris, 2EE2H (os potenciales de pila tienen un rango posible desde E hasta voltios. (as pilas #ue usan electrolitos disueltos en agua generalmente tienen potenciales de celda menores de 2,@ voltios, ya #ue los oxidantes y reductores muy potentes, #ue se re#uerir$an para producir un mayor potencial, tienden a reaccionar con el agua. G(aitinen y Farris, 2EE2H +abe mencionar #ue las tablas presentadas son tablas de reducci&n, por lo #ue al tomar el valor del potencial se debe de cambiar el signo cuando sta corresponde al electrodo de oxidaci&n, para evitar el cambio de signo la formula a utilizar es la siguiente?
'na celda de concentraci&n, tambin llamada pila de concentraci&n, es una pila galv%nica en la cual las dos semiceldas est%n formadas por el mismo metal en la misma soluci&n. (a corriente elctrica es generada gracias a #ue las concentraciones de la soluci&n en las semiceldas son distintas, en una la soluci&n estar% m%s concentrada #ue en la otra. G(aitinen y Farris, 2EE2H "ntonces, los electrones tender%n a fluir desde la semicelda en donde la soluci&n es m%s diluida hacia la soluci&n m%s concentrada, de manera de reducir los iones disueltos, y #ue la concentraci&n de la soluci&n concentrada disminuya, al mismo tiempo #ue la concentraci&n de iones
en la soluci&n diluida aumentar% Gdebido a #ue se est% oxidando, est% cediendo electronesH. G(aitinen y Farris, 2EE2H +uando las concentraciones en las soluciones se igualan, ya no se genera una diferencia de potencial, no hay transporte de electrones, entonces la pila se ha agotado. G(aitinen y Farris, 2EE2H ambin, se denomina fuerza electromotriz G3"/H a la energ$a proveniente de cual#uier fuente, medio o dispositivo #ue suministre corriente elctrica.
3ig. =. epresentaci&n de una fuerza electromotriz e la figura =? A. +ircuito elctrico abierto Gsin carga o resistenciaH.
bater$as de plomo-%cido, #ue emplean como electrodos placas de plomo y como electrolito %cido sulfJrico mezclado con agua
destilada. Geboiras, 2EECH.
3ig .@. epresentacion de una
II.=.2. +I"I1) " ")<10A0"IA (a termo#u$mica dice #ue una reacci&n ser% espont%nea cuando la variaci&n de energ$a libre #ue la acompaPa sea negativa, es decir cuando haya una disminuci&n de la funci&n de estado :. G3rederic y eyes , 2EE@H )i? # $ <0
# :R -
onde para #ue # : sea negativo, " debe ser positivo.
-6-,- PA!(ES DE LA PLA* "lectrodo de oxidaci&n GSnodo, prdida de electronesH "lectrodo de reducci&n G+%todo, ganancia de electronesH /edio para la transferencia de carga 3"/ R " reducci&n - " oxidaci&n En cadaelectrodo sereali%a un tra&a'o→ !otencial de Electrodos A medida que E oxidación es más (+ ) →G oxidación es A medida que E reducción es más +!→G reducción es más -! →"Ma#or espon$aneidad%
"*emplo )e dan los siguientes electrodos de oxidaci&n? A R -E.@9=volts R-2.9@volts RE.925volts "R-5.29volts + R E.EE volts 3 R 5.=B volts )$ ordenamos en forma creciente de espontaneidad, tenemos?
W"WAW+WW3
(a diferencia de potencial #ue se establece entre los dos electrodos de una pila galv%nica o voltaica, o entre las dos semipilas recibe el nombre de fuerza electromotriz de la pila aun#ue tambin se suele abreviar como 3"/. 1tro nombre #ue se le puede dar a la fuerza electromotriz es el de potencial est%ndar de la pila, haciendo referencia la denominaci&n de est%ndar a #ue las disoluciones tienen una concentraci&n 5/ y la pila se halla a una temperatura de 2@X+. )e representa con una " o. G/artinez et all, 2EEBH
3ig. C. Actividad i&nica por medio de la fuerza electromotriz +uando se dispone de la tabla de potenciales de reducci&n normales de electrodo y, por tanto, del potencial de reducci&n est%ndar de los dos electrodos #ue forman la pila, la fuerza electromotriz de la pila o potencial est%ndar se calcula como? " GpilaH R " Gc%todoH O " G%nodoH Actuar% como c%todo Greducci&nH a#uel electrodo cuyo potencial est%ndar es mayor y como %nodo Goxidaci&nH a#uel electrodo cuyo potencial est%ndar es menor. "s decir? -+uanto mayor es el potencial normal de un electrodo, mayor es su tendencia a reducirse y, por tanto, mayor su poder oxidante. -+uanto menor es el valor del potencial normal de un electrodo, mayor es su tendencia a oxidarse y, por tanto, mayor ser% su poder reductor. +abe aPadir, adem%s, #ue la fuerza electromotriz de una pila es siempre positiva.
G/artinez et all, 2EEBH "*emplo? 5. )e construye una pila galv%nica conectando una barra de cobre sumergida en una disoluci&n de +u 2M 5 / con una barra de cadmio sumergida en una disoluci&n de +d 2M 5 /. Falla la fem de esta pila. atos? "E G+u2MY+uH R E,9= ; "E G+d2MY+dH R -E,=E ;. )oluci&n? (a 3"/ de la pila es la 3"/ est%ndar, ya #ue las concentraciones son 5 /. +omo el potencial de reducci&n mayor es el de +u este se reducir% y el de +d se oxidar%, por tanto las reacciones #ue tendr%n lugar en la pila ser%n? educci&n Gc%todoH? +u 2M M 2 e- → +u "E R E,9= ; 1xidaci&n G%nodoH? +d → +d2M M 2 e- "E R E,=E ; eacci&n global de la pila? +u 2M M +d → +u M +d 2M "E R E,92 M E,=E R E,B2 ; 1bsrvese #ue al escribir la reacci&n de oxidaci&n para el electrodo de +d se ha cambiado el signo del potencial normal de reducci&n, ya #ue ste es el proceso inverso. G/artinez et all, 2EEBH 2. epresenta la pila voltaica formada por un electrodo de >n en una disoluci&n de >n)1 = y un electrodo de plata en disoluci&n de Ag01 9 5,E /. (as disoluciones est%n a 2@ E +. etermina cu%l es el c%todo y cu%l es el %nodo, escribe las reacciones de la pila, indica el sentido de flu*o de los electrones y calcula la 3"/ de la pila. atos? "E G >n2MY>nH R -E,B ; "E GAgMYAgH R E,CE ;. )1('+I40?
"l electrodo #ue tenga el potencial normal de reducci&n mayor se reducir% actuando como c%todo. "l de menor potencial se oxidar% actuando como %nodo. (as reacciones #ue tendr%n lugar en la pila son? 1xidaci&n en el %nodo? >n → >n2M M 2 e- "E R E,B ; educci&n en el c%todo? 2 AgM M 2 e- → 2 Ag "E R E,CE ; eacci&n global? >n M 2 Ag 2M → >n2M M 2 Ag )e cambia el signo del potencial del >n debido a #ue se ha invertido el sentido de la semireacci&n, es decir hemos escrito la reacci&n de oxidaci&n. )e ha multiplicado por 2 la semireacci&n de reducci&n con ob*eto de a*ustar la reacci&n global y, sin embargo, el potencial de electrodo no var$a, ya #ue se una propiedad intensiva. +omo la reacci&n global de la pila es suma de las dos semireacciones, su potencial es tambin la suma de los dos potenciales parciales? "opila R E,CE M E,B R 5,@ ; "s decir? "Epila R "Ec%todo - "E%nodo (a notaci&n abreviada de la pila ser%? >nGsHY>n2M G5/HYYAgM G5/HYAgGsH
-1- P"(E#CAL ES(A#DA! DE !EDUCC"# (a 3"/ o potencial de celda voltaica depende de las medias celdas an&dica y cat&dica espec$ficas de #ue se trate. Al inicio, se podr$a tabular los potenciales de celada de todas las combinaciones posibles de c%todo y %nodo, )in embargo, no es necesario, en su lugar se asigna un potencial est%ndar a cada media celda individual, y despus se determina la "Z de la celda con bases en los potenciales de media celda.G+hang ., t al, 2E59H
"l potencial de celda es la diferencia entre dos potenciales de electrodo, uno de ellos es el c%todo y el otro es el %nodo.
"l exponente “ZQ denota condiciones de estado est%ndar, y "Z es el potencial est%ndar de reducci&n, o el volta*e en un electrodo asociado con una semireaccion de reducci&n cuando todos los solutos son de 5 / y todos los gases est%n a 5 atm. As$, el potencial est%ndar de reducci&n del electrodo hidrogeno es cero. "l electrodo de hidrogeno se conoce como electrodo est%ndar de hidrogeno G""FH. G+hang ., t al, 2E59H
3ig. D aH 'na celda #ue est% compuesta por un electrodo de zinc y un electrodo de hidrogeno. bH 'na celda #ue est% compuesta por un electrodo de hidrogeno y un electrodo de zinc. "l electrodo de
+%todo Geducci&nH?
−¿ → H 2 ( 1 atm ) +¿ ( 1 M )+ 2e ¿ ¿
2 H
+¿ ( 1 M ) → Zn+2 ( 1 M )+ H 2 ( 1 atm ) ¿ eacci&n :lobal? Zn ( s )+2 H
(a celda de >n-""F se escribe como? E ( celda = E (cátodo − E ( ánodo
H +¿/ H − E (Zn / Zn E ( celda= E (¿ 2
+2
0&'( V =0 − E (Zn+ E ( Zn+
2
2
/Zn
=−0&'( V
Zn
+%todo Geducci&nH?
eacci&n :lobal?
−¿ ( +¿ 1 M ) + 2 e ¿ ¿ H 2 ( 1 atm ) →2 H
−¿ → Cu ( s ) +2 ¿ Cu ( 1 M ) +2 e
+¿ ( 1 M ) + Cu ( s ) +2 ¿ H 2 ( 1 atm ) + Cu ( 1 M ) → 2 H
(a celda de ""F-+u se escribe como?
E ( celda = E (cátodo − E ( ánodo
H +¿/ H E ( celda= E ( Cu / Cu− E ( ¿ 2
+2
0&34 V = E(Cu + /Cu −0 2
E ( Cu =0&34 V +2
Cu
Snodo G1xidaci&nH?
−¿ → Cu ( s ) +2 ¿ Cu ( 1 M ) +2 e
+%todo Geducci&nH?
+2 +2 eacci&n :lobal? Zn ( s )+ Cu ( 1 M ) → Zn ( 1 M ) + Cu ( s )
(a 3"/ de la celda es? E ( celda = E (cátodo − E ( ánodo
E ( celda= E (Cu
+2
− E ( Zn
/ Cu
+2
/ Zn
E ( celda =0&34 V −(−0&'(V )
E ( celda=1&10 V
A(A " <1"0+IA(") ")A0A A 2@ Z+
"L"/<(1? 'na celda :alv%nica se compone de un electrodo de /g en una disoluci&n de M) ( N O 3 )2 5.E / y un electrodo de Ag en una disoluci&n de A) N O 3
5.E /. +alcule la 3"/ en esta celda :alv%nica a 2@ Z+.
−¿ → A) ( s ) E (=O &)0V +¿ ( 1&0 M ) + e ¿ ¿
A)
−¿ → M) ( s ) E ( =−2&3' V ¿ 2+¿ (1&0 M ) + 2 e M)
¿
)1('+I10? −¿
1xidaci&n?
2 +¿ ( 1&0 M ) + 2 e ¿ M) ( s ) → M)
¿
−¿ → 2 A) ( s ) +¿ ( 1&0 M ) + e¿
educci&n?
2 A)
¿
2 +¿ ( 1&0 M ) + 2 A) ( s ) +¿ ( 1&0 M ) → M)¿ ¿ M) ( s ) + 2 A)
eacci&n global?
E (celda= E ( cátodo − E ( ánodo +¿ / A)
− E ( M) / M) E ( celda= E ( ¿
A)
+2
E ( celda=0&)0 V − (−2&3' V ) E ( celda=3&1' V
-1-.- ECUAC/# DE #E!#S( (a ecuaci&n de 0ernst se utiliza para calcular el potencial de reducci&n de un electrodo fuera de las condiciones est%ndar Gconcentraci&n 5 /, presi&n de 5 atm, temperatura de 2DC [ o 2@ X+H. )e llama as$ en honor al cient$fico alem%n !alter 0ernst, #ue fue #uien la formul& en 5CCD. +onsidere una reacci&n redox del tipo
aA + &B→cC + d* e la ecuaci&n (
# $= # $ + "+ *n
(a ecuaci&n anterior se expresa como?
−n-E=−n- E( + "+ *n
(
=−n- E(
Al dividir la ecuaci&n entre . n-E , obtenemos
E= E
(
−
"+ *n n-
10"?
E ? es el potencial corregido del electrodo.
E
? el potencial en condiciones est%ndar Glos potenciales se encuentran
tabulados para diferentes reacciones de reducci&nH. J
? la constante de los gases.GC.95 ( K / mol H
? la temperatura absoluta Gescala [elvin 2DC ( K H.
n? la cantidad de mol de electrones #ue participan en la reacci&n.
cal J 0 ,(40( 3? la constante de 3araday G29,E2 V V H.
(n G6H? es el logaritmo neperiano de 6 #ue es el cociente de reacci&n.
onde 6 es el cociente de la reacci&n. A 2DC [, la ecuaci&n se expresa como? E= E
(
−
0&02.' *n n
"mpleando el logaritmo en base 5E de 6, la ecuaci&n #uedar$a expresada como?
E= E
(
−
0&0.,2 *o/ n-
As$ para la reacci&n?
aA + &B→cC + d*
(a expresi&n de Q es?
onde? \+] y \]? presiones parciales yYo concentraciones molares en caso de gases o de iones disueltos de los productos de la reacci&n \A] y \] para los reactivos. (os exponentes son la cantidad de moles de cada sustancia implicada en la reacci&n Gcoeficientes este#uiomtricosH. A las sustancias en estado s&lido se les asigna concentraci&n unitaria, por lo #ue no aparecen en 6. "n realidad, los potenciales de las clulas electro#u$micas est%n relacionados con las actividades de los reactivos y los productos de la reacci&n, #ue a su vez est%n relacionadas con las respectivas concentraciones molares. 0o obstante, con frecuencia se hace la aproximaci&n de #ue las actividades son iguales a las concentraciones molares, pero es conveniente tener en cuenta #ue esto es una aproximaci&n y #ue como tal, puede conducir a resultados err&neos. urante la funci&n de la celda galv%nica, los electrones fluyen del %nodo al c%todo, lo #ue da por resultado la formaci&n de los productos y una disminuci&n en la concentraci&n de los reactivos. As$, aumenta , , lo cual significa #ue E disminuye. 3inalmente, la celda logra el e#uilibrio. " n el e#uilibrio no hay transferencia neta de electrones, de modo #ue E= 0 y ,= K , donde K es la constante de e#uilibrio. (a ecuaci&n de 0ernst permite calcular E en funci&n de las concentraciones de los reactivos y los productos en una reacci&n redox.
Cu( ac )
(a ecuaci&n de 0ernst para esta celda a 2@
℃
se escribe como
2 +¿ ¿ Zn
¿
2 +¿ ¿ Cu
¿ ¿ ¿ ¿ 0&02.' V E=1&10 V − *n ¿ 2
2 +¿ ¿ Zn
2 +¿
Zn¿ ¿ ¿ 2 +¿ 2 +¿ ¿ )i el cociente Cu¿ es menor a 5, el Cu ser% un nJmero negativo, y el segundo ¿ ¿ ¿ ¿ ¿ ¿ ¿ ¿ *n ¿ trmino del lado derecho de la ecuaci&n anterior ser% positivo. "n esta condici&n, E ( es mayor #ue la fem est%ndar E . )i el cociente es mayor a 5, E ser% menor ( #ue E .
-1-+- APLCAC/# A PLAS (a fuerza electromotriz de una pila se calcula con la siguiente expresi&n? # E =# E(¿ /cátodo )− # E (¿ /ánodo )
Ambos potenciales de reducci&n se calculan con la ecuaci&n de 0ernst, por lo tanto sacando factor comJn y operando con los logaritmos se obtiene la siguiente ecuaci&n? E= E
(
−
"+ *n n-
(
onde # E es la diferencia de potencial corregida de la pila y # E la diferencia de potencial de la pila en condiciones est%ndar, es decir calculada con las reacciones tabuladas, sin corregir con la ecuaci&n de 0ernst para electrodos.
-1-,- ELEC(!"D"S ME(AL
+. "("+11 " /"+'I1-18I1 /"+^I+1 :ran cantidad de mercurio li#uido cubierto con una pasta de calomel Gcloruro mercurosoH y una soluci&n de [+l. G+astellan :. !., 5DCBH −¿( a1 ) −¿ 2 H) ( l )+ 2OH ¿ ¿ H)O ( s ) + H 2 O ( l )+ 2 e
. "("+11 " /"+'I1-)'(3A1 /"+'1)1 :ran cantidad de mercurio li#uido cubierto con una pasta de sulfato mercuroso y una soluci&n #ue contiene sulfato. G+astellan :. !., 5DCBH
2 −¿ ( a1 ) −¿ 2 2 H) ( l )+ S O 4¿ H)2 SO 4 ( s )+2 e ¿
-7- CELDAS ELEC(!"L(CAS "s el segundo gran tipo de celdas electro#u$micas #ue convierte la energ$a de una corriente elctrica en la energ$a #u$mica de los productos de una reacci&n #ue no se da de modo espont%neo en las condiciones de traba*o de dicha cuba. "l volta*e de dicha corriente ha de ser mayor al #ue tendr$a la celda galv%nica en la #ue se produ*ese el proceso inverso, por lo #ue tambin se deben conocer los potenciales de reducci&n. A comparaci&n con las celdas galv%nicas, las celdas electrol$ticas no son espont%neas y debe suministrarse energ$a para #ue funcionen. Al suministrar energ$a se fuerza una corriente elctrica a pasar por la celda y se fuerza a #ue la reacci&n redox ocurra. GAndrs et all, 2EECH
3ig. 5E. +elda electrol$tica.
"L"/<(1? (os potenciales de reducci&n del cobre GIIHYcobre y del zinc GIIHY>inc valen respectivamente ME,9= ; y -E,B ;. 'na pila o celda galv%nica #ue aprovechara la reacci&n espont%nea >n M +u2M N >n2M M +u proporcionar$a una fuerza electromotriz de ME,9= ; -G-E,B ;HR5,5E voltios. GAndrs et all, 2EECH
)i ahora #ueremos provocar la reacci&n contraria +u M >n2M N +u2M M >n por e*emplo para depositar >n sobre un ob*eto met%lico, habremos de introducir una fuente de alimentaci&n #ue genere una corriente elctrica de m%s de 5,5E voltios
'n e*emplo es la electrolisis del agua cuando se le hace pasar una corriente elctrica. 2 H 2 O → 2 H 2+ O2 GAndrs et all, 2EECH
3ig. 55. Aparato para electrolisis del agua y otras disoluciones con matraces para recogida de los gases liberados
)i se sumergen dos conductores #u$micamente inertes Gpor e*emplo platino o grafitoH en una soluci&n de un electrolito o en un compuesto i&nico fundido y se aplica una diferencia de potencial elctrico entre ellos, circular% corriente elctrica por#ue hay especies cargadas capaces de moverse? los iones Gen el electrolito o el compuesto i&nico fundidoH y los electrones Gen los conductoresH. )obre cada interfaz conductorYelectrolito tendr%n lugar reacciones alimentadas por la presencia de especies oxidables y reducibles. +omo ya vimos, este proceso se denomina electr&lisis y al sistema al cual se le suministra la diferencia de potencial elctrico se llama celda electrol$tica. )e puede interpretar a la electr&lisis como el proceso opuesto al #ue ocurre en una celda galv%nica? por medio de la aplicaci&n de una diferencia de potencial elctrico externo se genera la circulaci&n de carga elctrica #ue produce una reacci&n #u$mica rdox no espont%nea. "n una celda galv%nica, por el contrario, se aprovecha una reacci&n #u$mica rdox espont%nea para producir una diferencia de potencial elctrico. (os iones positivos GcationesH se dirigen hacia el polo negativo, donde pueden aceptar electrones y transformarse en la especie correspondiente reducida.
GT
eacci&n en el c%todo? −¿ → !&( l) +¿+ 2 e ¿ ¿
!&2
eacci&n en el %nodo? −¿
2 Br→Br 2( )) + 2 e
¿
eacci&n global? !& Br 2( l) → !&(l )+ Br 2 ( ))
GAndrs et all, 2EECH bH "lectr&lisis de una sal disuelta en agua? CuCl2 , NaCl y Na2 S O 4 /
+omo acabamos de ver en GaH, en los casos de electr&lisis de sales fundidas no puede haber dudas respecto de las reacciones respectivas en los electrodos, por#ue no hay m%s #ue un tipo de aniones y de cationes. "n el caso de la electr&lisis de sales disueltas en agua la situaci&n no es siempre tan sencilla. ;eamos primero la electr&lisis de agua. GAndrs et all, 2EECH
CuCl 2
disuelto en
isociaci&n en el medio acuoso? −¿ ¿ +¿+ 2Cl (ac ) ¿
CuCl2( ) ) → Cu2( ac )
eacci&n esperada en el c%todo? +¿+ 2 e→Cu( s ) ¿
Cu2(ac )
eacci&n esperada en el %nodo? −¿ −¿ → Cl2 ( )) + 2 e ¿ ¿
2 Cl( ac )
eacci&n global esperada? CuCl2( ac ) → Cl 2( )) + Cu( s)
"n este caso se cumplen las expectativas, por#ue efectivamente se observa desprendimiento de cloro gaseoso en el %nodo y el dep&sito de cobre met%lico sobre el material del c%todo. GAndrs et all, 2EECH
"n el caso de la electr&lisis del 0a+l, el resultado #ue se obtiene no coincide totalmente con lo esperado, ya #ue en el c%todo se observa desprendimiento de gas hidr&geno, en lugar de dep&sito de sodio met%lico. (a reacci&n en el %nodo s$ es la esperada. GAndrs et all, 2EECH isociaci&n en el medio acuoso? −¿ ¿ +¿+ Cl( ac ) ¿
NaCl→ Na( ac )
eacci&n esperada en el c%todo? −¿ → Na(s ) No ocurre +¿+ e ¿ ¿
Na( ac )
eacci&n #ue ocurre en el c%todo? −¿ −¿ → H 2+ 2OH ¿(a1) ¿ H 2 O( ac ) + 2 e eacci&n esperada en el %nodo? −¿ Ocurre −¿ → Cl2 ( )) + 2 e ¿ ¿
2 Cl( a1)
T+&mo se puede explicar este resultadoU ebe tenerse presente #ue en soluciones acuosas, cerca de los electrodos no s&lo est%n presentes los iones provenientes de la disociaci&n de la sal, sino tambin molculas de agua y los iones provenientes de la disociaci&n de ella, FMGacH y 1F-GacH, especies #ue tambin pueden intervenir en reacciones redox. "n este caso particular, cerca del electrodo negativo existir%n iones 0aMGacH y FMGacH Gestos Jltimos en muy ba*a concentraci&n si el medio es neutroH y molculas de agua. T+&mo se puede saber cu%l de ellos se reducir%U "n una primera aproximaci&n, se puede utilizar como criterio cualitativo el valor de los potenciales de reducci&n, calculados mediante la ecuaci&n de 0ernst, para tener en cuenta las concentraciones de los iones en soluci&n. "n este caso, suponiendo #ue la soluci&n de 0a+l tiene concentraci&n 5 / y pF B, el potencial de reducci&n del sodio es O2,B5
+¿¿
; mientras #ue el del agua \G H H] R 5E-B /H vale OE,=5 ;. (a especie #ue tenga un valor de potencial de reducci&n mayor ser% posiblemente la #ue se reduzca. "n el e*emplo anterior sta es el agua. 0o siempre este criterio es aplicable en forma directa, pues el dep&sito de un s&lido o el desprendimiento de un gas en una celda electrol$tica tienen lugar cuando la diferencia de potencial aplicada excede a la de e#uilibrio en una cantidad denominada sobre potencial, #ue est% determinado por la cintica de la reacci&n. GAndrs et all, 2EECH A#u$ no se estudia el sobre potencial, pero debe saberse #ue algunas reacciones tienen sobre potencial elevado y no ocurren aun#ue el potencial de electrodo Gpotencial de electrodo termodin%mico o potencial de 0ernstH sea favorable. GAndrs et al, 2EECH "n el Jltimo e*emplo ocurren las siguientes reacciones? isociaci&n en el medio acuoso? −¿¿
+¿ SO4 (ac )
¿
Na2 S O4 ( s) → 2 Na( ac )
eacci&n en el c%todo? −¿ → H 2( ) ) +¿+ 2 e¿ ¿
2 H ( ac )
eacci&n en el %nodo? −¿ −¿ → O2( ) )+ 2 H 2 O+ 4 e¿ ¿
4 OH ( ac )
eacci&n global? −¿ → 2 H 2( )) + O2 ( )) + 2 H 2 O +¿+ 4 OH ¿(ac ) ¿
4 H ( ac )
"sta Jltima reacci&n se puede escribir como? 2 H 2 O (l) → 2 H 2 ( )) +O 2( ) )
(a reacci&n neta #ue ocurre es la descomposici&n electrol$tica del agua. "n las cercan$as del %nodo se encuentran mayoritariamente los iones sulfato, pero stos no pueden ser oxidados, de manera #ue la oxidaci&n ocurre como est% indicada. GAndrs et all, 2EECH T6u sucede si intentamos hacer la electr&lisis de agua puraU "s virtualmente imposible, pues el agua pura contiene una cantidad muy pe#uePa de iones y pr%cticamente no conduce la corriente elctrica.
-2- LE) DE FA!ADA) "n 5C2E, el descubrimiento, de 1este, de los efectos magnticos causados por la corriente elctrica creo un gran inters en la bJs#ueda de los efectos elctricos producidos por campos magnticos, #ue es la inducci&n electromagntica, descubierta en 5C9E por /ichel 3araday Loseph Fenry, casi simult%neamente y de manera independiente. Ampere hab$a malinterpretado algunos experimentos, por#ue buscaba fen&menos elctricos causados por campos magnticos est%ticos. (os experimentos de 3araday y Fenry, mostraron #ue una corriente elctrica podr$a inducirse en un circuito mediante un campo magntico variable. (os resultados de estos experimentos llevaron a la ley conocida como (ey de Inducci&n de 3araday. "sta ley sePala #ue la magnitud de la fuerza electromotriz G3"/H inducida en un circuito es igual a la raz&n de cambio en el tiempo del flu*o magntico a travs del circuito.
-2-.- P!ME!A LE) DE FA!ADA)* “(a masa de un producto obtenido o de reactivo consumido durante la reacci&n en un electrodo, es proporcional a la cantidad de carga Gcorriente x tiempoH #ue ha pasado a travs del circuitoQ. G!aser, 2EEEH "sta primera ley, permite calcular, la cantidad de electricidad Gen coulambios o 3aradayH para depositar un e#uivalente gramo de una sustancia. G!aser, 2EEEH (a unidad elctrica #ue se emplea en f$sica es el coulomb G+H. 'n coulomb se define como la cantidad de carga #ue atraviesa un punto
determinado cuando se hace pasar un ampere GAH de corriente durante un segundo.
Intensidad GAH R +oulombios R Amperios x "L"/<(1? +alcular el e#uivalente electro#u$mico del ion frrico G3eMMMH Masa at5mica .( E1uli&rio E1ui3alente= = = 1)(( ) / E1ui − ) Valencia 3
"l e#uivalente electro#u$mico es la masa transportada por un +oulomb?
E1ui3alente electro1uimico =
e1ui3alente 1uimico =¿ ,(&.00
1)&(( =00001,3 ) / E1ui− ) 4C ,(&.00
−4
00001,3 =1,33 410
) / E1ui− ) 4 C
"L"/<(1? +alcular el nJmero de coulombios necesarios para depositar en el c%todo 9E g de plata, cuando se hace pasar una corriente de 9 amperios a travs de una soluci&n de Ag019. +%lculo del e#uivalente #u$mico? !lata=
10') = 10') ) / E1ui − ) 1
)i D.@EE coulombious depositan 5EB,C gY"#ui-g, 9E gramos de plata cuantos coulombious re#uiere. +%lculo de la electricidad empleada?
,(&.00 C → 10') ) / E1ui − )
C =
30 )4 ,(&.00 C =2(&)..2 c 10') ) / E1ui − )
-2-+- SE$U#DA LE) DE FA!ADA)* “(as masas de diferentes sustancias producidas por el paso de la misma cantidad de electricidad, son directamente proporcionales a sus e#uivalentes gramosQ. G!aser, 2EEEH "sta ley permite calcular la masa de diferentes sustancias depositadas por la misma cantidad de electricidad. (a cantidad de elemento depositado por un 3araday GD.@EE cH se conoce como e#uivalente electro#u$mico. G!aser, 2EEEH "*emplo? +alcule la cantidad de cobre #ue se depositar% al hacer pasar una corriente de 5EE Amperes durante 2E minutos por una soluci&n de sulfato cJprico G+u)1=H.
++¿=
(3.4 =31'' ) / E1ui− ) 2 E1uil −1delCu¿
+%lculo de la cantidad de electricidad empleada?
6RAxt
6 R 5EE Amperes x 5.2EE segundos R 52E.EEE +. +%lculo de la cantidad de cobre depositado? ,(&.00 C depositan 2)2' ) / E1ui − )
120&000 C cuandodepositan→ 6
++ ¿
120&000 C 431'' ) / E1ui − ) ¿ 3,.0 )deCu 6 = ,(&.00 C
(as dos leyes de 3araday se cumplen para los electrolitos tanto fundidos como en soluci&n. )u validez no se altera por variaciones de temperatura, presi&n, naturaleza del solvente y del volta*e aplicado. Geboiras, 2EECH
-4- PLAS C"MU#ES (lamadas de (eclanch, fueron inventadas en 5CE por :eorges (eclanch. ienen un electrodo de grafito donde ocurre la reducci&n Gpolo positivoH y un electrodo de >n donde ocurre la oxidaci&n Gpolo negativoH. "l electrodo de >n es una chapa #ue envuelve al electrolito, una mezcla de N H 4 Cl,ZnCl2
, agua, almid&n y grafito en polvo. "l almid&n se emplea para #ue los l$#uidos no fluyan Gse forma un gelH y el grafito en polvo para me*orar la conductividad del sistema. GAldabe )., t al, 2EE2H "sta pila genera 5.@ ; entre los electrodos. "s de ba*o costo y de distintos tamaPos
-5- PLAS ALCAL#AS )on similares las comunes. (os mismos electrodos son puestos en contacto con un electrolito #ue es una pasta de [1F. "sto elimina la producci&n de gases y el electrodo >n no se ataca tan f%cilmente. GAldabe )., t al, 2EE2H
(a diferencia de potencial #ue genera esta tambin es de 5.@ ;. iene la venta*a de tener mayor vida Jtil #ue a pila comJn por#ue no se ataca el >n tan f%cilmente. ( desventa*a es el precio. GAldabe )., t al, 2EE2H
-.3DEL (a corrosi&n espont%neo #ue metales en medio en &xidos y gradual deterioro de ellos.
C"!!"S"# =E!!" es un proceso de destrucci&n experimentan los contacto con el ambiente, convirtindose esto produce un
(a corrosi&n de los metales, es un proceso permanente debido a #ue ellos est%n siempre en contacto con los agentes #ue la provocan, como son el agua, el ox$geno del aire y en estos Jltimos aPos la lluvia %cida, al mismo tiempo en las zonas costera, tambin el problema se intensifica debido al ambiente salino. (a forma de corrosi&n m%s comJn y destructiva desde el punto de vista econ&mico es la oxidaci&n del hierro, este problema significa un derroche de energ$a y de dinero, debido a #ue en el mundo se gastan millones de d&lares, tanto en proteger como en reponer los materiales y estructuras met%licas corro$das.
"l proceso de corrosi&n se desarrolla fundamentalmente en dos etapas, a saber? a. la primera etapa puede interpretarse como una pila galv%nica, en la #ue una zona de la superficie del hierro funciona como %nodo y tiene lugar la oxidaci&n del hierro met%lico a ion hierroGIIH, segJn ?
2 +¿ ( ac )+ 2e−¿ ¿ -e( s) → -e
E7 =−044 3
"n otra regi&n contigua a la superficie del metal #ue funciona como c%todo, tiene lugar la reducci&n del ox$geno atmosfrico a agua segJn la semireacci&n?
+¿( ac )+ 2e −→ H 2O ( l ) 1 ¿ O 2( ) )+ 2 H 2
E7 =123 3
(a reacci&n global se representa en la siguiente ecuaci&n?
+¿( ac )+ H 2 O (l ) +¿(ac ) → -e 2¿ 1 ¿ -e ( s )+ O 2( ) )+ 2 H 2
"l potencial de esta pila se puede calcular, sea sumando los potenciales obtenidos en las semireacciones o haciendo uso de los potenciales de reacci&n tabulados como de reducci&n y se obtiene?
E7 = E7cátodo . E7 ánodo
123−(−044 )=1(' 3/espontánea
+omo se observa en la reacci&n global, esta primera etapa ocurre en medio %cido, donde los protones re#ueridos, son aportados por cual#uier %cido como el +12 atmosfrico disuelto en el agua, tambin pueden ser aportados por la lluvia %cida en las zonas m%s contaminadas.
b. (a segunda etapa, corresponde a la formaci&n de la herrumbre, donde el ion hierroGIIH sale de la superficie del metal y migra a la gota de agua, donde se oxida a ion hierroGIIIH,segJn? +¿( ac )+2e −¿ +¿( ac )→ 2 -e 3¿ 2 -e2
E7 =0'' 3
¿
)imult%neamente el ox$geno disuelto en el agua se reduce segJn?
+¿( ac )+ 2e −→ H 2 O (l) 1 ¿ O 2 ( ac )+ 2 H 2
E7 =144 V
(a ecuaci&n de la reacci&n global corresponde a? +¿( ac )+ H 2 O ( l ) +¿(ac )→ 2 -e3¿ 1 2 ¿ 2 - e2
+¿( ac )+ O 2( ) )+ 2 H ¿
"l potencial de la reacci&n global es alto y positivo, por lo tanto este proceso +¿ ¿ tambin es espont%neo. (os iones -e3 precipitan como &xido de hierro GIIIH hidratado como consecuencia de la desprotonaci&n de las molculas de agua y se representa mediante la siguiente ecuaci&n?
+¿ ( ac ) + -e2 O3 8 H 2O ( s ) +¿ ( ac ) → ( H ¿ 4 H 2 O ( l )+ -e 3¿
"sta reacci&n reestablece los protones necesarios para #ue la reacci&n global de la primera etapa vuelva a ocurrir. (a representaci&n gr%fica del proceso de corrosi&n del hierro en medio %cido, donde se forma la herrumbre, se muestra en la figura 2. "l proceso global de corrosi&n del hierro se resume en la siguiente ecuaci&n? 3 2 -e ( s ) + O 2 ( ac )+ 8 H 2 O ( l ) → -e2 O 3 8 H 2 O ( s ) 2
"n medio neutro o dbilmente b%sico, el proceso de corrosi&n del hierro se representa por las siguientes etapas?
+%todo
−¿ ( ac ) ¿ 2O2 ( ) ) + 2 H 2 O (l ) + 4e −→ 4 OH
E7 =040 3
Snodo +¿ ( ac )+ 2 e ¿ -e ( s ) → -e2
E7 =044 V
"cuaci&n global −¿( ac ) +¿(ac )+ 4 OH ¿ ¿ 2 -e ( s )+ O 2 ( ) )+ 2 H 2 O ( l )→ -e2
"l potencial de esta pila es E,C= v, positivo, menor #ue en medio %cido, pero tambin es espont%neo. "n la segunda etapa se forma el hidr&xido de hierro GIIH, el cual se oxida a hidr&xido de hierro GIIIH y este se convierte en &xido de hierro GIIIH llamada herrumbre y se representa en las )iguientes ecuaciones? −¿(ac ) → -e (OH )2 ( s ) +¿ ( ac ) + 2OH ¿ ¿
-e 2
4 -e ( OH )2 ( s )+O2 ( ) )+ 2 H 2 O ( l ) → 4 -e ( OH )3 ( s )
2 -e ( OH )3 ( s ) → -e2 O3 / H 2 O ( s )+ 2 H 2 O ( l)
-..-P!"(ECC"# CA("DCA
"l potencial cat&dico es el potencial se va desplazando hacia la iz#uierda hasta #ue no fluyen corrientes an&dicas, es decir 9 < 9 a . Adem%s de con la creaci&n de una tensi&n exterior, el potencial tambin se puede desplazar introduciendo un material no noble #ue haga las veces de un %nodo de sacrificio. 0o obstante el potencial del electrodo #ue debe protegerse tambin se puede desplazar hacia el margen pasivo, esto es, hacia el margen de potencial 9 p y 9 d .
la protecci&n cat&dica es una tcnica de control de la corrosi&n #ue est% siendo aplicada cada d$a con mayor xito en el mundo entero, en #ue cada d$a se hacen necesarias nuevas instalaciones de ductos para transportar petr&leo , productos terminados , aguas as$ como para tan#ues de almacenamientos , cables elctricos y telef&nicos enterrados y otras instalaciones importantes. )e puede aplicar la protecci&n cat&dica en metales como a cero, cobre, plomo, lat&n y aluminio, contra la corrosi&n en todos los tipos de suelos y, en casi todos los medios acuosos. e igual manera, se puede eliminar el agrietamiento por corrosi&n ba*o tensiones por corrosi&n, corrosi&n intergranular, picaduras o tan#ues generalizado.
-
PA!(E E0PE!ME#(AL
-.- P!"CEDME#(" ener la celda galvanica. Facer las respectivas soluciones de cobre como de zinc "n cada cuba colocar las soluciones de sulfato de zinc, como tambien sulfato de cobre. ener un puente salino Ges un tubo en forma de u invertidaH este contendra al cloruro de potasio ya #ue es un conductor metalico, o tambin un papel filtro remo*ado con +l0a. "ste circuito externo sera armado mediante un flu*o de electrones. 7a #ue estara instalado las semiceldas observaremos y mediremos de forma experimental con un multitester.
-+- CALCUL" ) DA("S "'(E#D"S *
)e obtuvo como potencial de la celda galv%nica con electrodos de cinc y cobre con ayuda del mult$metro? 5.5E v
9-
C"#CLUS"#ES
)e demostr& parcialmente potencial de la celda galv%nica con electrodos de cinc y cobre, ya #ue solo se obtuvo 5.5E ; con una soluci&n de +u)1= y >n)1= a 5 / en ambos casos.. )e defino correctamente? S011? A#uel #ue realiza la reducci&n. "n la celda galv%nica es el Aluminio GAlH. +S11? A#uel #ue realiza la oxidaci&n. "n la celda galv%nica es el +obre G+uH 18IA+I40? "s una reacci&n #uimica muy poderosa donde un elemento cede electrones, y por lo tanto aumenta su estado de oxidaci&n. "'++I40? "s el proceso electro#u$mico por el cual un atomo o un ion gana electrones. Implica la disminuci&n de su estado de oxidaci&n. "ste proceso es contrario al de oxidaci&n.
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Aldabe )., Aramend$a <., (acreu (.,G2EE2H, 6u$mica 5 3undamentos, Argentina? "diciones +1(IF'" Alfonso Los ;%z#uez ;aamonde, L. L. de amborenea, Luan L. amborenea :onz%lez, G2EE5H, +I"0+IA " I0:"0I"_A " (A )'<"3I+I" " (1) /A"IA(") /"S(I+1), "spaPa? A7+A. Andres +abrerizo ulce /aria.Anton bozal Luan (uis, arrio
;alenzuela +alahorro +., G5DD=H.QUIMICA GENERAL, INTRODUCCION A LA QUIMICA TEORICA . "spaPa? salamanca Lurg G2EEEH."/1I0A/I+A !aser 3'0A/"0A(."spaPa?everte.
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6'I/I+A
A#E0"S
(a imagen muestra la placa de cobre, la placa de cinc y el puente salino en las soluciones
(a imagen muestra el c&mo ubicamos los puntas de los cables del mult$metro para la medici&n del potencial de la celda.