CURSO URSO : QUI QUIMI MIC CA INO INORG RGAN ANIC ICA A TEMA
: ELECTROQUIMICA ELECTROQUIMICA
CARRER CARRERA A : INGENI INGENIERÍ ERÍA A CIVIL. CIVIL. FECHA
: 14/11/15
INTEGRANTES:
JOHNNY KARON DAVILA DAVILA RUIZ JEFFERSON KEPLER LOPEZ LOPEZ LOPEZ LOPEZ ALCIDES MOREY LINAREZ ACILIO GATICA RODRIGUEZ RANFOR LINARES CANCINO
TARAPOTO!PE TARAPOTO!PERU RU
ELECTROQUÍMICA Como su nombre lo indica, estudia la relación entre la electricidad y la química, ya que cuando los electrones ( e- ) viajan a través de un conductor se genera una corriente eléctrica, y existen reacciones en las cuales hay transerencia de electrones, siendo estas reacciones de o!ido-reducci"n (reacciones RE#O$), es decir, los electrones son los culpables de la interacción electricidad-química
!ependiendo de causa-eecto existen dos posibilidades
"ue la causa sea la electricidad y el eecto sea la química (reacción #edox) $n tal caso el %enómeno electroquímico se llama & Celda Electrolítica' y se distingue con el símbolo % $l &mas grande' es %
$l &menos grande' es -
$l símbolo anterior representa una uente de corriente directa (C!) con la cual se suministra como causa la electricidad requerida para que ocurra la reacción redox i la corriente no se suministra (esto se llama circuito abierto) la reacción no ocurre, por lo tanto esta reacción química no es es&ont'nea
"ue la causa sea la química (reacción redox espont*nea) y el e%ecto sea la electricidad $n tal caso el %enómeno electroquímico se llama &Celda (al)'nica o Celda +oltaica' y se distingue con el símbolo
$l símbolo anterior representa una l'm&ara que consume la electricidad producida por la reacción redox i no se conecta la l*mpara u otro elemento (una resistencia, un radio, una calculadora, etc) para usar la corriente directa generada, la reacción por ser es&ont'nea de todas maneras ocurre y en ese caso genera un %enómeno que se llama &Corrosi"n' Cabe anotar que la corrosión es un problema con el cual se en%rentan los ingenieros a diario en las plantas o %actorías bserve que el sím*olo de la celda est* dado en unci"n de la electricidad como causa o como eecto Elementos de una celda Cu*a electrolítica o reci&iente
Líquido electrolítico ara que sea electrolítico debe poseer iones ositivos + % , y iones negativos + - ,
% - % - % - % - % - % - % % - % - % -
#os electrodos (varillas met*licas conductoras de la electricidad) uno de ellos se llama nodo y el otro se llama C'todo
- % - % - % % - % - % - % - % - % - % -
Una cone!i"n e!terna entre los electrodos, que contiene el símbolo de la celda. la %uente de corriente directa (si es electrolítica) o la l*mpara (si es galv*nica) Como estamos con un planteamiento general, usaremos un elemento , esta conexión cierra externamente el circuito, y por esto lo vamos a
dis%ra/ado
llamar circuito e!terno en el cual siempre ocurre el %enómeno eléctrico Circuito e!terno, ocurre el %enómeno eléctrico como causa o como eecto Circuito interno, ocurre el %enómeno %% químico %% como causa (si es galv*nica) %% o como eecto (si es electrolítica)
- - - -
Internamente, en el líquido electrolítico, donde est* siempre presente el %enómeno químico, el circuito se cierra cuando los iones mi.ran en direcciones opuestas como causa (en %orma espont*nea) si es celda .al)'nica o como eecto si es celda electrolítica
Metodolo.ía de tra*a/o +amos a trabajar ala*éticamente &rimero lo &rimero0 siem&re &rimero (otro accidente de A1C para aprender asociando) $lectrodos ignos Circuitos #eacciones
hay dos, hay dos, hay dos, hay dos,
0nodo 1*s 2nterno oxidación
y c*todo, y menos y externo y reducción
primero primero primero primero
nodo M*s Externo Oxidación
3os anteriores & primerazos' los podemos ordenar en el siguiente cuadro 2rimero $lectrodo igno Circuito #eacción
Lo &rimero 0nodo m0s $xterno 8xidación
$n el cuadro anterior )emos que podemos deinir (usando los primerazos) que nodo es el electrodo de signo mas en el circuito e!terno en el cual ocurre una reacción de o!idaci"n 4 como solo son dos electrodos, el c*todo es el otro electrodo y en él ocurre la otra reacción, es decir la de reducción Cuadro resumen causa
e%ecto
nombre de la celda
$lectricidad
"uímica
Celda $lectrolítica
ímbolo 5 %( electricidad) %
-
Ala*éticamente causa esta antes que e%ecto, electricidad antes que química y electrolítica antes que galv*nica este accidente de A1C nos permite de%inir que celda electrolítica es aquella en la cual la Electricidad es la causa y la química el e%ecto y la galv*nica lo contrario- la química la causa y la electricidad el e%ecto"uímica
$lectricidad
Celda galv*nica
Criterios es&ecíicos
6odo electrodo (por causa 7 e%ecto), posee si.nos contrarios en los circuitos interno7externo, ya que si el electrodo tiene signo m*s en el circuito externo como causa, en el circuito interno atrae a los iones negativos y recha/a los iones positivos como e%ecto % causa %%%%-
%%%%-
%%%%-
% eecto
%
- - - - - - -- -----
%% %% %% %%
3a &olaridad de un electrodo la determina el si.no que él posea seg9n la causa (Con esto nos evitamos aprender la polaridad de los electrodos por memoria y por convención)
2ara celda electrolítica % causa % e%ecto
4nodo +%,
-
% causa - - e%ecto % % - % % --% %
$l electrodo de la i3quierda es el 'nodo ya que posee signo m's en el circuito e!terno (inducido por la %uente de corriente directa) y atrae los iones ne.ati)os (por eso se llaman aniones) y repele los iones &ositi)os que migran hacia el c'todo (por esto se llaman cationes)
c*todo
3a &olaridad del 'nodo es &ositi)a porque es el si.no que él posee en el circuito e!terno, donde est* la causa
2ara celda .al)'nica5
e%ecto % causa
nodo +-,
% e%ecto - - causa % % -%% --% %
$n este caso, que es una celda galv*nica, como el circuito est* abierto ( ) 'nada' ocurre, pero cuando se cierra el circuito los iones espont*neamente mi.ran hacia lados opuestos +causa, +amos a asumir que los positivos migran hacia la derecha, (&uede ser al contrario)
c*todo Como eecto, en cada electrodo, se induce en el circuito externo el signo contrario +emos que el electrodo de la i3quierda posee si.no m's en el circuito e!terno y por & primera/os es el 'nodo y su polaridad es ne.ati)a porque es' el si.no que él posee seg9n la causa', y el c*todo es el otro electrodo
8bserve que siempre el ion que migra al 'nodo es el ne.ati)o y por esto los iones ne.ati)os los llaman aniones, de igual manera los cationes son los iones &ositi)os porque ellos son los que migran al c'todo Reacciones $n Celdas Electrolíticas, como la química es el eecto, ocurre una y solo una de tres reacciones posibles
3a del electrodo, si el electrodo es inerte, esto se indica usando electrodos de &latino s"lido ( t(s) ), no se plantea 3a del i"n que rodea el electrodo, si el ión es nitrato (:8 ; - ), o sul%ato (8< = ), no plantee la reacción pues estos iones son & inertes' 3a del agua, si el líquido electrolítico es una solución acuosa
3a reacción de o!idaci"n del agua, se plantea &rimero (por primera/os), en el 'nodo y es =>=8(? ) < e - @ <> @ @ A8=( g ) 3a reacción de reducci"n del agua, se plantea después, en el c'todo es
=>=8(? ) @ =e =8> - @ A>=( g ) :86B ara que no corra el riesgo de & a&render de memoria & estas reacciones, el an*lisis conceptual de ellas es el siguiente ara hacer la reacción de o!idaci"n del a.ua, el reactivo es > =8 y aparecen los electrones en los productos, ya que o!idar es &erder electrones, así
>=8(? )
e 7
Como hay que anular las cargas negativas de los electrones, esto se logra con los iones 6 %, así >=8(? )
e - @ > @
Como hay transerencia de electrones, uno de los elementos (el hidrógeno o el oxígeno) se tiene que &sacriicar &, es decir cambiar su n9mero de oxidación, como el hidrógeno es @A en reactivos y en productos, entonces el oxígeno se &sacri%ica' cam*iando su estado de o!idaci"n de 78 a 9 y por eso se obtiene 8 =( g ) y queda la semirreacción para balancear por tanteo >=8(? ) e - @ > @ @ 8=( g ) 3a otra reacci"n del a.ua ( la de reducción ) .ana electrones, y las cargas se balancean con el otro ión ( el 8> -) y se sacri%ica el otro elemento ( el hidrógeno ), y por eso se produce > = ( g ), y queda la semirreación de reducción del agua para balancear por tanteo
>=8(? ) @ e -
8> - @ >=( g )
En celdas .al)'nicas, como la química es la causa no es necesario plantear varias reacciones, solo se plantea la de o!idaci"n especi%icada en el 'nodo y la de reducci"n especi%icada en el c'todo y se balancean por el método de reacciones medias o de i"n electr"n :86B eg9n lo anterior es indispensable dominar el *alanceo &or i"n electr"n, es conveniente que replantee sus conocimientos de este tema en el capítulo < Calculos en electroquímica 3os c*lculos se reali/an se.:n el eecto, por lo tanto son de dos tipos
C'lculos estequiométricos0 en las celdas electrolíticas0 ya que la química es el eecto cuando se suministra como causa una corriente directa (2)
$n estas celdas se cumple la ley de ;araday ( enunciada en A;= ), que establece & $l n9mero de equi)alente .ramo de sustancia (sust) que se trans%orman en cada electrodo (puede ser reactivo o producto) es numéricamente i.ual a la carga eléctrica suministrada, medida en aradios & $l %actor asociado a la ley de araday es
A eq-gr de sust A %aradio
A aradio es la carga electrica del n:mero de a)o.adro de electrones, y esta vale aproximadamente DEF coulombios ( realmente son DE
A %aradio DEF coul
Como DEF coul es la carga E= xA=;electrones, entinces tenemos otro %actor para la de%inición del %aradio $l otro %actor asociado a la de%inición del %aradio A %aradio es E=xA8< eor &carambola' tenemos =eq-.r es A%aradio (ley de Garaday), A%aradio es DEF coul, DEF coul son E= xA=;electrones y E=xA=;electrones son el n:mero de A)o.adro, omitiendo los &intermediarios' podemos a%irmar que &Aeq-.r es la cantidad de sustancia que est* en capacidad de aportar el n:mero de A)o.adro de electrones en una reacción redox' 3a anterior es la de%inición &ele.ante' del equivalente gramo 3a car.a electrica que se suministra a una celda electrolítica se hace por medio de una corriente de I am&erios que circulan durante cierto tiempo t segundos $l amperio es la unidad de corriente electrica que indica el n9mero de coulombios que circula en la unidad de tiempo y una corriente de I am&erios se puede interpretar como el siguiente %actor Gactor de corriente eléctrica 2
I coul Aseg
3a ley de Garaday químicamente nos menciona la unidad estequiométrica de equi)alente .ramo (eq-gr) y por lo tanto es indispensable %abricar el %actor equivalente gramo de la sustancia ($) que es $ eq-gr sust A mol sust
Gactor $
#ecuerde que el valor de $ de la sustancia est* dado por el n:mero de electrones transeridos &or cada mol de la sustancia y su valor se calcula así $5
:H de e- trans%eridos en la semi - reacción Coe%iciente estequiométrico de la sustancia
El n:mero de electrones transeridos estan dados por los electrones &erdidos en la semi-reacción de o!idaci"n o el n9mero de electrones .anados en la semireacción de reducci"n y determinados por el método de balanceo de reacciones medias o de i"n electr"n #ecuerde (normas de lectura capítulo estequiometría) que si se quieren calcular los gramos de la sustancia es indispensable el %actor del peso molecular de la sustancia 1I gr sust 1Ique es A mol sust Como la sustancia puede ser un gas, también es posible determinar el volumen producido de la sustancia gaseosa a ciertas condiciones, si se quiere a condiciones normales, de antemano existe el %actor de &volumen molar normal & (capítulo, gases) que es
==< lt sust (g) A mol sust (g)
i las condiciones no son = atmosera y 8>@, dicho %actor se puede calcular usando la ecuación universal de los gases ideales, asi #6 Cuando la sustancia es un metal (1) que se de&osita s"lido en el c'todo, éste su%re un cambio de volumen ( ∆+) que se puede cuanti%icar con el %actor asociado a la densidad del metal, que es d gr de 1(s) Acm; de 1 :ota 3os c*lculos estequimétricos en una reacción química est*n determinados por el reactivo límite (RL), en las celdas electrolíticas est*n limitados por el tiempo que se suministra la corriente directa, seg9n lo anterior podemos a%irmar que estos c*lculos estequiométricos dependen de un RL es&ecial el tiem&o A&licaci"n &r'ctica &ara el metal s"lido de&ositado en el c'todo $l cambio de volumen que su%re el c*todo ( ∆+) es el volumen depositado de cobre sólido que lo podemos calcular con la densidad del cobre que vale ,D=grJcm ; ∆+ 5 =;K gr Cu (s) x
A cm; ⇒ ∆+ 5 =EFK cm; D= gr Cu(s)
:86B Como este cambio de volumen es muy pequeLo, es conveniente &exagerar' el n9mero de ciras decimales, ya que en un & proceso de cobri/ado' lo que se busca es una a&ariencia e!terna del objeto que hace las veces de c*todo i el metal que se deposita es oro, el proceso se llama &dorado &. también existen procesos de &niquelado &, &cromado &, &estanado &
C'lculos eléctricosB en celdas .al)'nicas (3a electricidad es el e%ecto)
3a reacción redox es causa, y estas celdas se pueden simboli/ar asi
0nodo(s)
sustancias anódicas
sustancias catódicas
C*todo (s)
⇑
$sto simboli/a un elemento que Con esta in%ormación se plantea separa el *nodo por ion electr"n la reacción de del c*todo que reducci"n &o*li.a' a los e- a migrar por el circuito externo, se llama puente salino
Con esta in%ormación se plantea por ion electr"n la reacción de o!idaci"n (de nuevo lo primero siempre primero *nodo y oxidacion)
$l elemento externo que separa el *nodo del c*todo se conoce como &uente salino, y es una solución acuosa saturada de la sal MCl, también pude ser una membrana semi permeable, para e%ectos pr*cticos se puede usar una lo/a cer*mica sin esmaltar, que es porosa i este medio semipermeable se deteriora, los e - migran del *nodo al c*todo por el circuito interno ( &nadan') pero no se produce corriente eléctrica, en este caso se dice que la celda est* & en corto' $l e%ecto es una uer3a electromotri3 (%em) o )olta/e o &otencial, simboli/ado con la letra griega epsilon A2LICACIODE #E CEL#A (ALFDICA 3as mas conocidas celdas comerciales on = La &ila seca o &ila LeclancGé $s un recipiente de Ninc que hace la %unción de *nodo y contiene una pasta h9meda de cloruro de amonio y cloruro de Ninc en la cual est* como c*todo un electrodo de carbono rodeado de óxido de manganeso, las reacciones pueden ser Nn =@ @ =e-
Bnodo
Nn
C*todo
=1n8= @ =:><@ @ =e-
1n=8; @ >=8 @ =:>;
$sta celda genera entre A=F y AF voltios, domésticamente se conoce como &pila' y se encuentra en varias presentaciones seg9n el tamaLo tipo BB, tipo BBB, tipo C, etc 8 1atería o acumulador de &lomo, de amplio uso en vehículos $l *nodo est* %ormado por placas de plomo llenas con plomo gris esponjoso y el c*todo est* constituido también por placas de plomo llenas con óxido plumbico, el electrólito es > =8<, y las reacciones que ocurren son b8<(s) @ =e-
Bnodo
b(s) @ 8<=-
C*todo
b8=(s) @ 8<=- @ <>@ @=e-
b8<(s) @ =>=8
B medida que la celda suministra carga, el b8 <(s) se deposita sobre las placas y la concentracón del > =8< disminuye, esta celda puede recargarse como una celda electrolítica en la cual se invierten las reacciones 3a batería suministra una %em de =
voltios, y se construyen en serie de ; o E celdas para %abricar acumuladores que suministran E ó A= voltios < Celda de niquel 7 cadmio 3os electrodos son placas de acero empacadas con :i8 = hidratado y cadmio %inamente dividido, suministra un potencial de A< voltios, es recargable 3as reacciones son 0nodo
Cd(s) @ =8>-
Cd(8>)= @ =e-
C*todo
:i8=(s) @ =>=8 @ =e-
:i(8>)= @ =8>-
ALGUNOS MATERIALES DE LABORATORIO
.
E" #$%&'# ()$ #" "*+,-) #0("&) ()$ )"%) # 0-$(
E" 23&$')3&)3 # ()33-#$2#
E" 2,) # ()3#
Alambre de cobre
O'#3%&)' "& "&(& # 0-$( +,# 6& #'27 #$ #" #$%&'# ',8#2&) )3 #" ()$#(2)3 ()()3-")
2ROCE#IMIEDTO #E LA E$2ERIMEDTACIHD
3a pr*ctica consistió en hacer un recubrimiento de /inc met*lico a un pequeLo tubo de cobre que el pro%esor proporcionó, antes de todo lijó el tubo para su mejor adherencia del recubrimiento 6omamos un recipiente de pl*stico y al lado i/quierdo colocamos el elemento /inc, donde se encontrar* ubicado el *nodo que ser* el positivo, en la derecha se colocar* el tubo que se baLar* en el líquido del recipiente, por lo tanto a este se le conocer* como c*todo y ser* el negativo ólo se invierte la polaridad para desengrasar el objeto a recubrir (tubo de cobre) Conectamos la corriente a ; voltios !C (esto se logra utili/ando un trans%ormador de corriente que este estar* conectado a == voltios siendo esta corriente alterna de E ciclos, y su salida del trans%ormador ser* corriente continua de ; voltios) iguiendo los pasos anteriores, procedimos a sumergir el tubo de bronce en el líquido me/clado con polvo de /inc, se reali/ó el experimento logrando así el baLo de recubrimiento de /inc al tubo de cobre con éxito, quedando así el tubo de cobre (color amarillo roji/o) a color plateado !espués cada grupo reali/o su propio experimento con unos peda/os de alambres de cobre proporcionado por el docente y haciendo manualmente la %orma de un resorte, adem*s de seguir con los procedimientos ya aprendidos lo recubrimos de /inc con éxito 3uego retiramos la capa con que recubrimos, esto lo hicimos intercambiando la polaridad $ntendiendo ya a pro%undidad podemos decir que el hidróxido de /inc es el /inc esta @= porque es soluble en agua $ntonces el Nn @= ya en el agua por el *nodo se va y se pega con el c*todo que en este caso es el tubo de cobre produciéndose así la metali/ación mediante el baLo electrolítico ocurriendo la reacción Nn @= @ =-e 5 Nn
ANEXOS.