introducciÓn a la electroquÍmica -...
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INTRODUCCIÓN A LA ELECTROQUÍMICA
I. Q. Luis F. Farrera G.
Departamento de Fisicoquímica Facultad de Química
UNAM
“La electroquímica es la interrelación que se establece entre los sistemas químicos y los
sistemas eléctricos, cuando ambos inciden en un proceso.”
SISTEMA ELÉCTRICOSISTEMA QUÍMICO
ELECTROQUÍMICA
PROCESO
CELDAS ELECTROQUÍMICAS
ELECTROQUÍMICA
Celdas
electroquímicas
ELECTROQUÍMICA
Celdas galvánica y electrolítica. Conversión de energía química en eléctrica y viceversa.
ELECTROQUÍMICA
ENERGÍA QUÍMICA
ENERGÍA ELÉCTRICA
Celda Galvánica
Celda electrolítica
Celdas
electroquímicas
Celdas de combustible
Celda de combustible PEM.
ELECTROQUÍMICA
IONES Y TRANSPORTE IÓNICO
ELECTROQUÍMICA
Cristales iónicos
Arreglo cúbico en un cristal iónico de cloruro de sodio.
ELECTROQUÍMICA
ELECTROQUÍMICA
Defecto Frenkel
Defecto Schotky
Conductividad en cristales
Electrolitos
Electrolito disociado en iones positivos (cationes) y iones negativos (aniones).
ELECTROQUÍMICA
ELECTROLITOS Y SOLVENTES
ELECTROQUÍMICA
Electrolitos
ELECTROQUÍMICA
Las soluciones electrolíticas están constituidas por electrolitos y solventes polares.
Molécula polar de agua
ELECTROQUÍMICA
Moléculas de agua en ausencia de un campo eléctrico.
ELECTROQUÍMICA
Moléculas de agua orientadas en presencia de un campo eléctrico.
TEORÍA DE LA DISOCIACIÓN ELECTROLÍTICA
ELECTROQUÍMICA
ELECTROQUÍMICA
Svante August Arrhenius
Los electrolitos en solución o fundidos, se disocian en especies iónicas positivas y negativas , en igual número, manteniéndose el principio de electro-neutralidad.
ELECTROQUÍMICA
Electro-neutralidad iónica
ELECTROQUÍMICA
NaCl Na+ + Cl-
KCl K+ + Cl-
BaCl2 Ba2+ + 2Cl-
AlCl3 Al3+ + 3Cl-
(NH4)2SO4 2NH4+ + SO4
2-
H3PO4 3H+ + PO43-
K2Cr2O7 2K+ + Cr2O72-
Las especies son átomos cargados . . .
. . . que permanecen idénticos en substancias químicas análogas
. . . o grupos de átomos cargados (radicales de los electrolitos)
ELECTROQUÍMICA
Solvatación(Universidad de Iowa)
ELECTROQUÍMICA
Disociación de un electrolito fuerte
Disociación de un electrolito débil
ELECTROQUÍMICA
Conducción iónica
Conducción en electrolitos fuertes y débiles
ELECTROQUÍMICA
Conductividad electrolítica(Universidad Estatal de Iowa)
ELECTROQUÍMICA
REACCIONES DE ÓXIDO-REDUCCIÓN
ELECTROQUÍMICA
Óxido-reducción química
Combinación de una substancia con el oxígeno.
• ZnO + C = Zn + CO
• 2Mg + O2 = 2MgO
Otros procesos en los que se da ganancia y pérdida de electrones.
• Mg + Cl2 = MgCl2
• AgCl + 1e = Ag + Cl–
ELECTROQUÍMICA
Óxido-reducción electroquímica
ELECTROQUÍMICA
Zn(s) + Cu2+(ac) = Zn2+(ac) + Cu(s)
Oxidación del Zn y reducción de Cu2+
(celda local).
ELECTROQUÍMICA
Cobre depositado en la placa de Zn.
Oxidación del Zn y reducción de Cu2+
(celda local).
Óxido-reducción electroquímica
ELECTROQUÍMICA
Reacción global dividida en dos reacciones parciales:
Global: Cu2+(ac) + Zn(s) = Cu(s)
Oxidación: Zn(s) - 2e = Zn2+(ac)
Reducción: Cu2+(ac) + 2e = Cu(s)
Celda Daniell.
ELECTROQUÍMICA
Celda Galvánica
Es “la expresión física de un sistema espontáneo, completo, de óxido-reducción”.
POTENCIALES DE CELDA Y DE ELECTRODO
ELECTROQUÍMICA
n n n
o
MM / Mº M / Mº
0.0591E E log
na
m n2 2 1 1
C M / M M / ME E E
m m n n2 2 2 1 1 1
C M / M M M / M M
0.0591 0.0591E E log E log
m n
a a
ELECTROQUÍMICA
n1 1M / M
E
y m
2 2M / ME
: potenciales estándar de electrodo
Fuerza electromotriz y potencial estándar.
ELECTROQUÍMICA
2 2
2
2
H
1 / 2H / H H / HH
0.0591E E log
2 p
a
Potencial estándar
2 2H / H H / HE E 0.0v
ELECTROQUÍMICA
n n n2
2
2
o HM 1/ 2M / Mº M / Mº H / H
H
0.0591 0.0591E E log E log
n 2 p
a
a
n2
C M / M H / HE E E
nC M / ME E
ó n CM / ME E
• 2AgNO3 + Zn⁰ = Zn(NO3)2 + 2Ag⁰
• CuSO4 + Zn⁰ = Cu⁰ + ZnSO4
• Hg22+ + 2Na = 2Hg + 2Na+
• ClO3− + 6H+ + 6e = Cl− + 3H2O
• 2MnO4 K + 5SO3Na2 + 3SO4H2 = 2SO4Mn + SO4K2 + 5SO4Na2 + 3H2O
ELECTROQUÍMICA
Otras reacciones de óxido-reducción:
CELDAS ELECTROLÍTICAS
ELECTROQUÍMICA
Leyes de la electrólisis (Fáraday)
"...(1) el poder químico de una corriente de electricidad está en proporción directa de la cantidad absoluta de electricidad que pasa..."
"...(2) los pesos equivalentes de las substancias son simplemente aquellas cantidades de ellas que contienen cantidades iguales de electricidad..."
ELECTROQUÍMICA
e
i tn
Fó
i t PMm
F eq / mol
Celda electrolítica
ELECTROQUÍMICA
Electrólisis de una solución salina diluida.
ELECTROQUÍMICA
Celda electrolítica
Electrólisis de una solución salina diluida.
ELECTROQUÍMICA
Celda electrolítica
Electrólisis de una solución salina diluida.
ELECTROQUÍMICA
Celda electrolítica
Electrólisis de una solución salina diluida.
Electrólisis de una sal fundida
ELECTROQUÍMICA
Celda electrolítica
ELECTROQUÍMICA
Celda electrolítica
Electrólisis de una sal fundida
Electrólisis de una sal fundida
ELECTROQUÍMICA
Celda electrolítica
APLICACIONES
ELECTROQUÍMICA
ELECTROQUÍMICA
Industria de cloro-álcali
Celda de membrana para la obtención de cloro-sosa.
ELECTROQUÍMICA
Celda de cloro-sosa de membrana(Universidad Estatal de Iowa)
ELECTROQUÍMICA
Electro-refinado de cobre
Celda para electro-refinado de cobre
ELECTROQUÍMICA
Industria del aluminio
Proceso completo de la obtención del aluminio.
ELECTROQUÍMICA
Obtención del aluminio
Proceso de obtención del aluminio
ELECTROQUÍMICA
Proceso electrolítico
Celda para electro-refinado de cobre
ELECTROQUÍMICA
Electro-refinado de Al
Celda para electro-refinado de aluminio (proceso Hall-Heroult)
ELECTROQUÍMICA
Producción de flúor
Celda para la producción de flúor.
ELECTROQUÍMICA
Electrólisis del agua
ELECTROQUÍMICA
Electrolizador unipolar para la producción de H2 y O2.
ELECTROQUÍMICA
Electrolizador bipolar para la producción de H2 y O2.
Electrólisis del agua
Electrólisis del agua
ELECTROQUÍMICA
Electrolizador PEM para la producción de H2 y O2.
ELECTROQUÍMICA
Obtención
de KMnO4
ELECTROQUÍMICA
Obtención
de KMnO4
Permanganato de potasio
Celda de laboratorio para para la síntesis de KMnO4.
ELECTROQUÍMICA
ELECTROQUÍMICA
Estructura susceptible de corrosión.
Control de la corrosión
ELECTROQUÍMICA
Protección catódica con ánodo de sacrificio.
Control de la corrosión
Baterías
ELECTROQUÍMICA
Pila alcalina (tamaño doble A).
ELECTROQUÍMICA
Celda de combustible PEM alcalina.
celdas de
combustible
Tratamiento de aguas y protección ambiental
ELECTROQUÍMICA
ELECTROQUÍMICA
Tratamiento de aguas y protección ambiental
ELECTROQUÍMICA
Tratamiento de aguas y protección ambiental
Electrodos selectivos para iones
ELECTROQUÍMICA
NH4+
Ba2+
Ca2+
Cu2+
Pb2+
Hg2+
K+
Na+
Ag+
Br-
CO3-
Cl-
CN-
F-
I-
NO3-
NO2-
ClO4-
S-
SCN-
Cationes: Aniones:
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