Electroquímica 1_ Unidad Generalidades y Leyes de Faraday 2

ELECTROQUMICA

Marco Rosero EspnUCE-2015

CONTENIDOS UNIDAD N0.1

- Electroqumica

- Clasificacin

- Procesos REDOX

- Procesos no espontneos

- Procesos espontneos

- Leyes de Faraday

- Bibliografa

Objetivo General

- Identificar y analizar los principios de los procesos electroqumicos.

Objetivos especficos

- Estudiar procesos Redox

- Analizar los diferentes procesos espontneos y forzados de electroqumica

- Estudiar la generacin de energa elctrica en base a las leyes de Faraday.

1. IMPORTANCIA Y GENERALIDADES DE LA ELECTROQUMICA.

1.1 Breve historia de la Electroqumica.La electroqumica nace alrededor de 1970 como la consolidacin de los fenmenos de transporte (finales de 1950) aplicado a las tres propiedades extensivas:la materia, la energa y la cantidad de movimiento en las operaciones unitarias que se constituye en una base anlitica y global.La ingeniera electroqumica es una disciplina que se preocupa particularmente del reactor electroqumico.

Marco Rosero Espn/Electroqumica/UCE/2015 Pag: 1

2. Conceptos

Es la rama de las ciencias que estudia las propiedades de los sistemas inicos, as como los procesos y fenmenos en las superficies de separacin interfacial en los que participan partculas cargadas (Corrientes elctricas).

La electroqumica es una parte de la qumica que se dedica a estudiar las reacciones asociadas con la corriente elctrica que circula en un circuito.

Estudia los cambios qumicos que produce una corriente elctrica y la generacin de electricidad mediante reacciones qumicas.


Las reacciones electroqumicas son:

1) Reaccin de reduccin A + ne- A n-

2) Reaccin de oxidacin B - ne- B n+

La transferencia de materia a un electrodo, en presencia de un electrlito soporte, determina la densidad de corriente mxima admisible a este electrodo y esta ligada adems, por aspectos geomtricos e hidrodinmicos, al flujo de fluido que circula en las inmediaciones del electrodo. Otro aspecto general importante es el manejo de nmeros adimensionales, el planteamiento a los balances de materia y energa, entre otros aspectos como geometra general de celda.


3. CLASIFICACIN DE CELDAS.

REACCIONES REDOX:

- Reacciones qumicas que se producen por accin de una corriente elctrica o electrlisis.

- Reacciones qumicas que generan una corriente elctrica, se produce en una celda o pila galvnica.


3.1 Procesos de Oxidacin y Reduccin(Redox).

En una reaccin de oxido-reduccin o rdox, existe la transferencia de uno o ms electrones de una especie u otra. La sustancia que cede electrones se oxida, la sustancia que gana electrones se reduce.


3.2 Elementos de una celda

Trabajo para estudiantes: Tipos de electrodos


3.2.1 nodo.- El nodo es un electrodo en el que se produce una reaccin de oxidacin, mediante la cual un material, al perder electrones, incrementa su estado de oxidacin.3.2.2 Ctodo.- Un ctodo es un electrodo con carga negativa que sufre una reaccin de reduccin, mediante la cual un material reduce su estado de oxidacin al recibir electrones.3.2.3 Electrolito.- Sustancia capaz de descomponerse por efecto de la corriente elctrica, esto ocurre con aquellos compuestos inicos o covalentes que en solucin o fundidos se disocian en iones, y conducen la corriente elctrica.3.2.4 Conductor externo.- Permite el paso de los electrones cerrando el circuito.


3.2.5 Contenedor de Celda.- Recipiente que contiene los elementos de la celda y determina los elementos generales de geometra de celda.

3.3 Definiciones asociadas

3.3.1 FEM: La FEM es la fuerza impulsora de la reaccin, es la diferencia de potencial elctrico por unidad de carga se mide en Voltios. La FEM es la resultante de las distintas tendencias para que ocurra una reaccin en los electrodos.

E(celda)= E(red.ctodo)E(red. nodo)

3.3.2 FEM estndar ( E): reactivos y productos se hallan a concentracin 1 M (o P= 1 atm si son gases), a 25C.


3.3.3 Faraday(F): Cantidad de electricidad necesaria para depositar o desprender un equivalente qumico de cualquier sustancia.

1 F = 96.500 coul;equivale a la carga de 1mol de electrones

3.3.4 Voltio (V): El voltio se define como la diferencia de potencial existente entre dos puntos tales que hay que realizar un trabajo de 1 joule para trasladar del uno al otro la carga de 1 Culomb. Es la unidad derivada del Sistema Internacional para el potencial elctrico, la fuerza electromotriz y la tensin elctrica


3.3.5 Amperios (A): Un amperio es la corriente constante que, mantenida en dos conductores rectos paralelos de longitud infinita, de seccin circular despreciable, y colocados a un metro de distancia en el vaco, producira entre estos conductores una fuerza igual a 2 x 10-7 newton por metro de longitud.


4. Leyes de Faraday

4.1 Primera Ley

La masa de un elemento depositada en un electrodo es proporcional a la cantidad de electricidad que pasa a travs de las solucin del electrolito

Q=Ixtm = Meq*Q/96500


Ejemplo:

Al3+ (ac) + 3 e- Al (s)Se necesitan tres moles de electrones (3 x 96.500 C) por mol de Al3+ a depositar.


4.2 Segunda Ley

Las masas de dos o ms elementos que se depositan en dos o ms celdas conectadas en serie, son proporcionales a sus equivalentes qumicos


5. Nomenclatura de celdas

Tomando en cuenta la IUPAC, se denotan mediante el uso de semiecuaciones en las cuales solo se indiquen los reactantes y productos de cada semicelda.:

M(s)|Mx(aq) || Mx(aq)|M(s)

nodo ctodo

| : separacin de fases.

|| : puente salino.

Ejemplos: Zn(s)|Zn(s)SO4(1M, aq)|| CuSO4(1M, aq)|Cu(s)


Ejemplo descriptivo:


5.1 Ejercicios5.1.1 Ejercicios en clase:

1) Cuntos gramos de Zn metal puede depositarse en el ctodo al electrolizar cloruro de cinc fundido si pasan 0,010 (A) durante 1 hora.

2) Suponer que se tienen dos celdas conectadas en serie la primera con AgNO3(ac) y la segunda con NaCl(ac). Si en la primera se depositan 0.0198 g de Ag, Cuntas moles de H2 se producirn en el ctodo de la segunda?


6.1 Energa libre de Gibbs.Es una variable termodinmica que permite establecer la espontaneidad de una reaccin, simplificando el uso de la entropa (S) y la entalpa (H).

G < 0 (-) Espontnea

G =0 0 Equilibrio

G>0 (+) No espontnea

Donde: Q= vF Q; cantidad de carga por mol de reaccin.v; es el coefiente de los electrones transferido.F;constante de Faraday 96 485

rG= - v*F*ErG; Energa libre de Gibbs

de la reaccin.


E= Ectodo- Enodo = (0,342v)-(-0,762v)= 1,104 v


6. Ley de Nernst

En la ecuacin de Nernst, es la FEM observada de la celda y E es la FEM estndar de la celda.

E > 0 (+) Proceso espontneo

E< 0 (-) Proceso no espontneo

E=0 0 Equilibrio ( Q=Eq)

E : potencial no estndarE : potencial estndarv : cantidad de electrones transferidos por unidad estructural o ecuacin qumica.a : concentracin de las especies qumicas.

E = E- RT/vF * ln (aC*aD/aA*aB)

E = E- 0,0257v/v * ln (aC*aD/aA*aB)


Tipos de Celdas electroqumicas.

Existen dos tipos principales de celdas electroqumicas:

- Las celdas de concentracin.

Una celda de concentracin contiene electrodos fabricados del mismo metal y soluciones que contienen los mismos iones, pero a diferente concentraciones.

- Las celdas de combustin.

Este tipo de celdas se presenta como alternativa a los sistemas de combustin de combustibles fsiles altamente irreversibles y termodinamicamente poco eficientes. Marco Rosero Espn/Electroqumica/UCE/2015 Pag: 20

Ejemplo:Una celda de concentracin contiene electrodos fabricados con el mismo metal y que contienen los mismos iones, pero a diferentes concentraciones, para el caso de la celda de concentracin de ZnSO4: Determinar la diferencia de potencial a T: 298 K. Zn(s)|ZnSO4 (0.1M)||ZnSO4(1M)|Zn(s)


Ejercicios modelo:(a) Con los pares Fe2+|Fe3+ y Ce3++Ce4+, calcule la constante de equilibrio de la siguiente reaccin a 298K, E ( Fe2+|Fe3+)=1,72v; E(Ce3++Ce4+)=0,771 v. Ce4+|Fe2+ Ce3++Fe3+

Keq= [* C reactivos/* C productos]Keqelectroqumico= evFE/RT

(b) La reaccin anterior se emplea en titulacin (redox). Calcule la FEM de la celda despus de la adicin de 10 ml de una solucin de 0,10 M de Ce4+ a una adicin de 50,0 ml de 0,10 M de Fe2+ .


Diapositiva 1Diapositiva 2Diapositiva 3Diapositiva 4Diapositiva 5Diapositiva 6Diapositiva 7Diapositiva 8Diapositiva 9Diapositiva 10Diapositiva 11Diapositiva 12Diapositiva 13Diapositiva 14Diapositiva 15Diapositiva 16Diapositiva 17Diapositiva 18Diapositiva 19Diapositiva 20Diapositiva 21Diapositiva 22Diapositiva 23Diapositiva 24Diapositiva 25Diapositiva 26

Electroquímica 1_ Unidad Generalidades y Leyes de Faraday 2

Documents

Transcript of Electroquímica 1_ Unidad Generalidades y Leyes de Faraday 2