Electroquímica

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo

Unidad 5: Electroquímica

Herminia Vanessa Valerio Suastes

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Facultad de Ingeniería Eléctrica

Índice:

Electroquímica

-reacciones redox

-celdas electroquímicas

-potenciales estándar de electrodo

-espontaneidad de las reacciones redox

-efecto de la concentración en la fem de la celda

-baterías

-electrolisis

Electroquímica

La electroquímica estudia los cambios químicos que producen una corriente eléctrica y la generación de electricidad mediante reacciones químicas. Es por ello, que el campo de la electroquímica ha sido dividido en dos grandes secciones. La primera de ellas es la Electrólisis, la cual se refiere a las reacciones químicas que se producen por acción de una corriente eléctrica. La otra sección se refiere a aquellas reacciones químicas que generan una corriente eléctrica, éste proceso se lleva a cabo en una celda o pila galvánica.

-Reacciones redox:

Se denomina reacción de reducción-oxidación, de óxido-reducción o, simplemente, reacción redox, a toda reacción química en la que uno o más electrones se transfieren entre los reactivos, provocando un cambio en sus estados de oxidación.

Para que exista una reacción de reducción-oxidación, en el sistema debe haber un elemento que ceda electrones, y otro que los acepte:

• El agente oxidante es el elemento químico que tiende a captar esos electrones, quedando con un estado de oxidación inferior al que tenía, es decir, siendo reducido.

• El agente reductor es aquel elemento químico que suministra electrones de su estructura química al medio, aumentando su estado de oxidación, es decir, siendo oxidado.

Cuando un elemento químico reductor cede electrones al medio, se convierte en un elemento oxidado, y la relación que guarda con su precursor queda establecida mediante lo que se llama un «par redox». Análogamente, se dice que, cuando un elemento químico capta electrones del medio, este se convierte en un elemento reducido, e igualmente forma un par redox con su precursor oxidado.

La pila Cu-Ag, un ejemplo de reacción redox:

-Celdas electroquímicas:

La celda electroquímica es un dispositivo experimental para generar electricidad mediante una reacción redox espontánea en donde la sustancia oxidante está separada de la reductora de manera que los electrones deben atravesar un alambre de la sustancia reductora hacia la oxidante.

En una celda el agente reductor pierde electrones por tanto se oxida. El electrodo en donde se verifica la oxidación se llama ánodo. En el otro electrodo la sustancia oxidante gana electrones y por tanto se reduce. El electrodo en que se verifica la reducción se llama cátodo.

La corriente eléctrica fluye del ánodo al cátodo porque hay una diferencia de energía potencial entre los electrodos. La diferencia de potencial eléctrico entre el ánodo y el cátodo se mide en forma experimental con un voltimetro, donde la lectura es el voltaje de la celda

Partes de una Pila o celda:

o Electrodo de oxidación (Ánodo, pérdida de electrones)

o Electrodo de reducción (Cátodo, ganancia de electrones)

o Medio para la transferencia de carga

Como temas fundamentales deberemos saber que una pila se basa en un proceso Redox, por lo tanto proviene de una reacción espontánea.

Las principales características de las pilas (también llamadas celdas galvánicas) son las siguientes:

- Los agentes reductores y oxidantes se conectan a través de un puente salino y se encuentran en diferentes recipientes;

- La f.e.m. (Fuerza electromotriz) producida por la pila genera una corriente externa.

-Potenciales estándar de electrodo:

En electroquímica, el potencial normal de electrodo o potencial normal de reducción de electrodo de un elemento, que se abrevia Eo (con un superíndice que se lee como "normal" o "estándar"), es la diferencia de potencial que le corresponde a una celda o semi pila construida con un electrodo de ese elemento y un electrodo estándar de hidrógeno, cuando la concentración efectiva o actividad de los iones que intervienen en el proceso es 1 mol/L (1 M), la presión de las sustancias gaseosas es 1 atmósfera, y la temperatura es 298 K (25 °C). Es la medida de un potencial de electrodo reversible individual, en condiciones estándar.

El potencial normal de electrodo se representa habitualmente como Eº y su unidad en el Sistema Internacional es el voltio (V).1 Es una constante de cada electrodo e indica la tendencia a producirse que posee cierta semireacción.

-Espontaneidad de las reacciones redox:

La termoquímica dice que una reacción será espontánea cuando la variación de energía libre que la acompaña sea negativa, es decir cuando haya una disminución de la función de estado

Si

Por otra parte la energía eléctrica producida por un generador de fem E cuando hace circular una carga eléctrica Q por todo el circuito nos la da la ecuación del trabajo eléctrico:

La carga es la transportada por los electrones que van de un electrodo a otro, y su valor es donde es el número de moles de electrones y es la constante de Faraday, que equivale a la carga, en culombios, transportada por cada mol de electrones, es decir, (carga del electrón) x (Número de Avogadro) = 96500 culombios).

Como representa el máximo de energía de la reacción puede liberar, nos queda:

Donde para que sea negativo, debe ser positivo.

De esta manera se llega a la condición decisiva para predecir si una reacción redox será espontánea o no:

Una reacción será espontánea si la pila formada por sus dos semireacciones tiene una fem positiva.

Con los potenciales de reducción facilitados por las tablas, se aplica la ecuación:

En el cátodo tiene lugar la semireacción de reducción, y en el ánodo la de oxidación.

-Efecto de la concentración en la FEM de la celda:

Como el potencial de electrodo depende de las concentraciones de los iones, es factible construir una celda con dos semiceldas hechas del mismo material, pero que tengan distinta concentración iónica. A este tipo de celda se le conoce como celda de concentración.

Consideremos el caso en

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