UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN INGENIERÍA QUÍMICA SECCIÓN DE FISICOQUÍMICA Celdas elect!"#$%&cas I'(est&)ac&*' Pe(&a
G!'+,le+ Ál(ae+ V$ct! Da'&el Objetivos: Fijar los conceptos de celda electroquímica de precipitación, de concentración y redox. Comprender el concepto de batería. Medir la FEM de celdas de precipitación, concentración y redox. lantear las reacciones que se llevan a cabo en ellas. Construir una tabla de potenciales redox para los sistemas manejados. 1. ¿Qué es una celda electroquímica? ¿Cómo se clasifican con base en el origen de su FEM? !na celda electroquímica es un sistema de óxido"reducción completo #unión de dos semiceldas$, es un dispositivo que puede producir ener%ía o trabajo el&ctrico en el entorno y dentro de &l tiene lu%ar una reacción química de óxido"reducción, consta de ' electrodos y un electrolito, capa( de dar electricidad por la acción química dentro de la celda, o producir una acción química por el paso de electrici electricidad. dad. En base en el ori%en ori%en de su FEM las celdas se clasi)ican en: "Celdas *uímicas con transporte y sin transporte, en las cuales la FEM es debida a una reacción química que ocurre en la celda por la di)erente naturale(a de los electrodos. +in transporte: o -ay puente salino y los electrodos se sumer%en en la misma solución. Con transp transport orte: e: ay puente puente salino salino,, los electr electrodo odoss se sumer sumer%en %en en di)ere di)erente ntess soluciones, la FEM se debe a la naturale(a del transporte. "Celdas de Concentración con transporte y sin transporte, en la que la FEM se debe a un decremento de ener%ía libre acompa/ada de la trans)erencia de masa desde una parte de la celda a otra. 0a FEM se debe a la di)erencia en la concentración y en las actividades de las soluciones y los electrodos. +in +in trans transpor porte te:: 0a FEM FEM se debe debe a la di)e di)ere renc ncia ia entr entree las las acti activi vida dades des de los los electrodos o del electrolito. Con transporte: 1eben su FEM a la actividad de la solución. 2. ¿Qué es una batería? n!estigar la cadena electroquímica del acumulador "lomo#$cido !na batería es un aparato que trans)orma la ener%ía química en el&ctrica, y consiste en dos o m2s pilas el&ctricas conectadas en serie o en paralelo en mixto, tambi&n se llama batería a un %rupo de celdas conectadas entre sí, %eneralmente en serie, es decir que el polo positivo de una es conectado al polo ne%ativo de la próxima celda, con el )in de obtener una corriente %rande, la resistencia interna debe ser baja, lo que si%ni)ica que las placas de plomo deben tener una %ran 2rea, y deben estar a muy corta distancia. 1el mismo modo, la
concentración del electrolito debe ser tal que su resistencia sea lo m2s baja posible3 al conectar las celdas en serie, la FEM total de la batería es i%ual a la suma de las FEMs por separado. 4 veces las celdas pueden estar conectadas en paralelo, es decir, todos los extremos positivos conectados entre si, lo mismo que los extremos ne%ativos, cuando estas se encuentran conectadas en paralelo, la FEM que resulta es la de una sola celda y la resistencia interna se calcula de acuerdo con la )órmula de los resistores en paralelo. 4 continuación se muestra el acumulador plomo"2cido.
5nventado en 6789 por aston lant&, el acumulador de plomo si%ue utili(2ndose en automóviles, camiones y aviones. El acumulador contiene un %rupo de c&lulas conectadas en serie. Cada c&lula consiste en una placa de plomo, otra de óxido de plomo, y una disolución electrolítica de 2cido sul);rico. Cuando estos acumuladores se descar%an, pueden recar%arse cre2ndose una corriente en sentido opuesto a la que )luye cuando el acumulador est2 completamente car%ado. %. ¿Qué es o&idación ' qué es reducción( en qué electrodo se lle!a a cabo cada una de ellas?
cationes. 0as reacciones que ocurren en el 2nodo son las oxidaciones y en c2todo se reali(an las reducciones. ). ¿Qué significa que la FEM de una celda sea "ositi!a? ¿Qué signo deber$ tener el de la reacción?
*
Cuando la FEM de una celda es positiva, su = es ne%ativo lo que nos dice que se est2 llevando acabo una conversión de ener%ía en )orma de trabajo y se puede a)irmar que la reacción que se lleva a cabo es espont2nea en el sentido de i(quierda a derec-a, es decir, en el lado i(quierdo de la celda estar2 la semireacción de oxidación y en el derec-o la semireacción de reducción. Conociendo la FEM de una pila a cualquier composición podemos obtener la )unción de ibbs de reacción a esa composición. +i la composición ele%ida corresponde al equilibrio de la reacción de pila, entonces ser2 cero y por lo tanto E tambi&n. +i todos los reactivos est2n en su estado est2ndar, entonces tiene un valor est2ndar > y la FEM i%ualmente. +. ¿Cu$l es la ecuación de ,ernst ' "ara qué es -til ? 0a Ecuación de ernst es una relación cuantitativa que permite calcular la )uer(a electromotri( de una pila para concentraciones de los iones distintas de la unidad. Esta ecuación, que se deduce por ra(onamientos termodin2micos, se escribe en la )orma:
E
@
E
@.@8968
c
a a lo% a a C
a
n
/
d
0
b
.
ó
1onde E @ es la )uer(a electromotri( o potencial normal de la correspondiente pila #que se obtiene a partir de los potenciales normales de los electrodos$, n es el n;mero de electrones trans)eridos y Q es el cociente de reacción. Este cociente es el producto de las concentraciones de las especies activas del se%undo miembro de la reacción química de oxidación"reducción, elevadas a sus respectivos coe)icientes estequiom&tricos #coe)icientes que preceden a las )órmulas en la ecuación química i%ualada$, y su denominador es el producto an2lo%o de las concentraciones de los reactivos. Cuando la reacción que tiene lu%ar en una pila alcan(a el estado de equilibrio, la )uer(a electromotri( de la pila se -ace cero, el cociente de reacción coincide con la constante de equilibrio, y la ecuación de ernst es entonces:
Expresión que permite calcular la constante de equilibrio a partir de la )uer(a electromotri( normal.
Conociendo la FEM de una pila a cualquier composición se obtiene la )unción de ibbs de reacción a esa composición. +i la composición ele%ida corresponde al equilibrio de la reacción de pila, entonces A @ y en consecuencia, E A @3 la pila esta a%otada. +i todos los reactivos est2n en su estado est2ndar, entonces tiene un valor est2ndar > y la FEM tiene el suyo. Celda %alv2nica E A #B$ reacción espont2nea Eq A Eelec A #"$ Celda electroquímica E A #"$ A #B$ Elec. A Eq
+i se considera una pila electroquímica que )unciona por la reacción total: A "n FE y > A "nFE> +u potencial esta dado por: E
@
E
a a ln nF a a c
12
C
a
/
d
0
b
.
En esta expresión que reco%e la dependencia de la FEM puede calcularse cuando todos los reactivos se encuentran en sus estados de re)erencia y de los valores e sus coe)icientes de actividad, es evidente que cuando las actividades de todos los reactivos valen la unidad, el t&rmino lo%arítmico debe anularse, esto es que la FEM de una pila es la que corresponde al estado de re)erencia. 0a temperatura a la que normalmente est2n re)eridos los potenciales tipo, y a la que se re)ieren la mayor parte de resultados electroquímicos, es de '8> C y a esta temperatura el coe)iciente del t&rmino lo%arítmico se puede trans)ormar en coe)iciente num&rico, con lo que: E
@
E
@.@8968
n
a a lo% a a c
C
a
/
d
0
b
.
Este coe)iciente incluye tambi&n el )actor de conversión a lo%aritmos de base 6@ que vale '.@'D.
ibliografía. " " "
-a!./ G!d!'. Química#Física. edición, tomo 55. Ed. Gevert&. At0&'s/ P1 2. Fisicoquímica. edición. Ed. 4ddison H Iesley 5beroamericana. Enciclo"edia Encarta 2333. Microso)t Corporation.
