UN PRIMER CURSO DEINGENIERÍA

ELECTROQUÍMICA

AUTOR:

Frank Walsh

TRADUCTORES: José González GarcíaVicente Montiel Leguey

Título: Un primer curso de Ingeniería ElectroquímicaAutor: Frank WalshTraductores: José González García - Vicente Montiel LegueyI.S.B.N.: 84-95015-52-8Depósito Legal: A-152-2000

Edita: Editorial Club UniversitarioWeb: www.editorial-club-universitario.es

Printed in SpainImprime: Imprenta Gamma - Telf.: 965 67 19 87C/. Cottolengo, 25 – San Vicente (Alicante)E. mail: gamma@1gamma.comWeb: www.1gamma.com

Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de este libro puede reproducirse otransmitirse por ningún procedimiento electrónico o mecánico, incluyendo fotocopia,grabación magnética o cualquier almacenamiento de información y sistema dereproducción, sin permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright.

Dedicatoria

A: mi esposa, Pamela, y a nuestros hijos, Heather y Steven.

Lucía Bernad Segarra Relaciones entre Fianza y Mandato

18

i

PREFACIO

Un ingeniero cosmopolita tal como yo mismo tiene una deuda de gratitudcon muchas personas y organizaciones por sus contribuciones a mi formacióntemprana. Espero que muchos me perdonarán si menciono a unos pocos:

i. Des Barker, cuya metalurgia práctica y explicación vernacular paraenseñar hicieron mucho para inspirar a un joven científico de lacorrosión.

ii. David Gabe, mi paciente director de Tesis, quien implantó las bases de laingeniería de materiales en un químico que, desde la ingeniería química,estaba concentrado en una aproximación al control de la contaminación.

iii. Frank Holland, mi director de Tesis industrial quien siempre mantuvoque había un momento para ser consciente de los fallos de la teoría y“pasar unos pocos amperios”.

iv. Muchos colegas industriales quienes me han permitido pasar muchoskiloamperios durante los paros técnicos y proyectos de desarrollo.

v. Organizaciones de desarrollo e investigación, incluyendo ECRC (ahoraE.A. Technology Limited), ICI Chemicals and Polymers Limited, Centrode Investigación Johnson Matthey y SERC por la colaboración yfinanciación durante muchos programas de investigación.

vi. Los textos iluminadores de F. Coeuret, M. Fleischmann, F. C.Goodridge, N. Ibl, G. Kreysa, R. B. MacMullin, J. S. Newman, D. J.Pickett, A. Storck, C. W. Tobias, A. A. Wragg, etc.

vii. Mis colegas hindúes en el CECRI, quienes son los pioneros enelectroquímica básica y práctica.

viii. Mi colaborador, Derek Pletcher, quien ha temperamentadocontínuamente mi tendencia hacia una explicación puramente ingenierilrecordándome la química subyacente.

ix. Mis estudiantes de investigación Craig Brown, Tom Ralph, GavinReade, Pedro Trinidad e Ian White, quienes normalmente hanpermanecido dentro o alrededor de la Ingeniería Electroquímica y queme han animado a producir este texto básico.

ii

La Ingeniería Electroquímica se puede definir como “la comprensión ydesarrollo de materiales de aplicación práctica y procesos que impliquen reaccioneselectroquímicas”. La disciplina incluye métodos electroquímicos de síntesis,reciclaje de procesos, conversión de energía y protección de materiales. Además, suimportancia debe crecer según la sociedad se hace más sensible a la protección delmedio ambiente y a la necesidad de una conversión hacia energías limpias.

A pesar de su importancia industrial y académica, sin embargo, laIngeniería Electroquímica no es todavía una disciplina aceptada y bien definidafuera de su círculo de usuarios. Se dispone de varios textos detallados sobre eldiseño del reactor electroquímico e ingeniería de procesos electroquímicos. Estosestán invariablemente escritos desde un punto de vista del ingeniero químico. Lamayoría de los estudiantes y usuarios de tecnología electroquímica son, de todasformas, químicos o ingenieros de materiales. Muchos estudiantes, colegasacadémicos y trabajadores de la industria han destacado la dificultad en la lectura dela literatura de la ingeniería química. Estas consideraciones me han persuadido paraadoptar un planteamiento matemático sencillo en el presente libro. Mientas quealgunos de mis compañeros ingenieros académicos pueden encontrar el tratamientodiluido, espero que ellos entenderán que se ha sacrificado en alguna manera el rigorcon el objetivo de ampliar el número de lectores.

La naturaleza interdisciplinaria de la ingeniería electroquímica presentaproblemas en la elección de un juego de símbolos y definiciones; agravándose lasituación incluso con los convenios cambiantes. Se ha buscado compaginar tresjuegos de directrices de la IUPAC (Química Física), EFChE (Grupo de trabajo sobreIngeniería Electroquímica) y consistencia (sobre todo) con el libro hermano de D.Pletcher “Un primer curso de procesos electródicos”.

Con el objetivo de mantener el texto conciso, muchas aplicaciones de laingeniería electroquímica se han omitido o tratado brevemente. Al lector interesadose le remite a otros libros para un tratamiento más extenso (por ejemplo D. Pletchery F. C. Walsh “Industrial Electrochemistry”).

Los problemas resueltos al final de este libro provienen de una mezcla deproyectos de investigación, paros técnicos/búsqueda de averías industriales yproblemas de estudiantes. Quizás sea inusual que todos estos ejemplos hayan sidodesarrollados a partir de reactores reales y procesos electroquímicos.

Finalmente, debo agradecer a los muchos colegas industriales que hanproporcionado fotografías y otras imágenes así como a Carole Chatley portranscribir este manuscrito y a Michael Gillett por la elaboración de las figuras.

Enero 1993 Frank C. Walsh

iii

PREFACIO A LA TRADUCCIÓN

Un Primer Curso en Ingeniería Electroquímica fue concebido a principio de1990 y la versión en inglés fue publicada en 1993. Las motivaciones para el libro seencuentran en:

i. la necesidad de tener una explicación aplicada de la ingenieríaelectroquímica en la enseñanza de los cursos de pregrado (es decir,“enseñar los fundamentos mediante la práctica”).

ii. el deseo de proporcionar un texto legible por químicos, tecnólogos demateriales e ingenieros químicos, (un desafío en vista de los diferentessímbolos, ecuaciones y planteamientos utilizados por los diferentesprofesionales),

iii. el uso de problemas resueltos tomados de mi propia experiencia deldiseño y rendimiento de la célula electroquímica ( intentar responder lascuestiones ¿en qué extensión?, ¿cuántos electrodos? ¿qué tamaño y tipode célula? ¿qué rendimiento máximo se puede esperar?, y

iv. un intento de proporcionar ecuaciones clave, reacciones electródicas yplanteamientos para ayudar al desarrollo industrial de la tecnologíaelectroquímica (proporcionando datos concisos a través del campo de laelectroquímica aplicada).

Numerosas universidades y cursos industriales han adoptado el libro comotexto base para el lector especializado. Estoy agradecido a mis colegas por larevisión constructiva del texto, particularmente al Dr. Jorge Ibáñez de laUniversidad Iberoamericana, México, quien proporcionó comentarios útiles en basea su experiencia de la lectura del libro y el uso del texto con los estudiantes.Muchos colegas industriales han proporcionado un intercambio constructivo durantelas conferencias, seminarios y cursos cortos.

Me complace agradecer el continuo apoyo y contribuciones de mis colegasen Portsmouth. En particular, debo mención a Dr. Sheelagh Campbell y Dr. DesBaker en nuestro grupo de Electroquímica Aplicada. Becarios de investigaciónactuales y recientes y postgraduados merecen mención especial: Dr. Gavin Reade,Dr. Gareth Radford, Dr. Charlie Kerr, Emma Fardon, Elan Mann, Richard Fletcher,Lou Broadbent, Katie Patterson, Stephen Breakspear, Spencer Court, Gareth Kear,Ian Penegar, Simon Connell, Sharon Slade and Stephen Gillard. Chris West haproporcionado valioso apoyo técnico. El Dr. John Smart (Director de la Escuela deFarmacia y Ciencias Biomédicas) y el Catedrático David Rogers (Decano de laFacultad de Ciencias) me han alentado a adoptar un planteamiento de investigaciónque abarca los aspectos biomédicos y medioambientales de la tecnología

iv

Electroquímica. Muchos de nuestros postgraduados han permanecido en o alrededorde la disciplina de la Ingeniería Electroquímica y ha sido un privilegio contribuir asus desarrollos profesionales.

Mis lazos con España se han desarrollado durante muchos años. Porejemplo, Fundaciones de la Unión Europea ha permitido visitantes como PedroTrinidad de la Universidad de Salamanca (dirigido por el Catedrático Miguel Galán)para alcanzar la calificación de Grado en flujo de fluido. Pedro más tarde accedió aun puesto de investigación en hidrometalurgia con la empresa Técnicas Reunidas.

La traducción al español ha sido posible a través de los lazos con el Grupode Electroquímica Aplicada del Departamento de Química Física de la Universidadde Alicante. Los profesores Toni Aldaz y Vicente Montiel han proporcionado unimportante marco para el desarrollo de la tecnología electroquímica y me hacomplacido estar implicado con el Grupo de Alicante como colaborador, miembrode Tribunal de Tesis y docente en las Jornadas que organizaron en el año 1997.

Mención especial debe ser hecha de José González García a quien heconocido como visitante de nuestros laboratorios, candidato a Doctor por laUniversidad de Alicante y como un amigo. Él ha sido responsable, y promotorentusiasta, de esta traducción.

Él ha sido testigo de la vitalidad y crecimiento de la ingenieríaelectroquímica y de la electroquímica aplicada en muchos países de habla hispana.Esto es evidente en las muchas contribuciones de España y Países Sudamericanos arevistas tales como Hidrometalurgy y Journal of Applied Electrochemistry. Es miesperanza que esta traducción ayudará a contribuir al desarrollo continuado de estasmaterias esenciales.

Frank C. Walsh

Enero 2000 Universidad de Portsmouth,UK

v

CONTENIDOS

PrefacioLista de Símbolos, Convenios de Signos y Unidades

1. Introducción 11.1 Definiciones 11.2 El ámbito de la Ingeniería Electroquímica 21.3 El desarrollo de la Ingeniería Electroquímica 5

2. Reacciones Electroquímicas 132.1 Reacciones electródicas 132.2 Reacciones de la célula electroquímica 33

3. Componentes de la Célula Electroquímica 453.1 La interfase Electrodo/Electrolito y las capas cercanas al

electrodo 453.2 La fase electrodo 483.3 La fase electrolito 563.4 Separadores 66

4. La velocidad de las reacciones electroquímicas 774.1 La velocidad global de los procesos electródicos 774.2 Medida de la cinética electródica 834.3 Transferencia electrónica (de carga) simple 874.4 Transporte de materia 994.5 Control mixto: La interrelación entre transferencia

electrónica y transporte de materia 1075. Procesos de transporte 115

5.1 Flujo de fluido 1155.2 Transporte de materia 1235.3 Geometrías Electrodo/Electrolito comunes 1285.4 Medidas del transporte de materia 1515.5 Balance de energía y transferencia de calor 168

6. Reactores electroquímicos y su comportamiento 1756.1 Tipos de modelo de reactor 1756.2 Ecuaciones de diseño para el grado de conversión 1746.3 Indicadores de comportamiento para reactores

electroquímicos 2057. Diseño de un reactor electroquímico 225

7.1 Procesos electroquímicos 2257.2 Consideraciones generales en el diseño de un reactor 2327.3 Factores importantes en el diseño de un reactor 239

8. Diseños de reactor electroquímico típicos 2658.1 Condiciones para los diseños de reactor 2658.2 Clasificación de los reactores 2668.3 Reactores de tanque 268

vi

8.4 Reactores de flujo de placas paralelas (filtroprensa) 2768.5 Reactores de película fina 2858.6 Reactores de electrodo rotatorio 2898.7 Electrodos tridimensionales porosos estáticos 2918.8 Electrodos tridimensionales porosos móviles 297

9. Aplicaciones de la Tecnología Electroquímica 2999.1 General 2999.2 Recuperación del ion metálico en reactores de electrodo

cilíndrico rotatorio y tridimensional poroso 3059.3 Electrosíntesis del clorhidrato de L-cisteína en reactores

filtro-prensa de placas paralelas 3309.4 Descomposición salina vía electrodiálisis en un reactor

compartimento y placa 33910. PROBLEMAS RESUELTOS 351

10.1 La interrelación de la transferencia de carga y untransporte de materia y el uso de un electrodo de discorotatorio para separar sus contribuciones 351

10.2 La cinética de un reactor de baño simple para larecuperación del ion cúprico seguido por un electrodoselectivo a iones 360

10.3 Reactores de electrodos cilíndricos concéntricos para larecuperación de ion cadmio y el tratamiento de lascorrelaciones de grupos adimensionales. 367

10.4 Comportamiento y dimensionado de electrodostridimensionales porosos. 373

10.5 Voltaje de célula y eficiencia energética de la electrolisisdel agua en un reactor de placas paralelas 377

11. Clausura: El continuo desarrollo de la IngenieríaElectroquímica 385

12. Índice 389

vii

LISTA DE SÍMBOLOS

A continuación se presenta una lista de símbolos utilizados a lo largo deltexto; las unidades habituales utilizadas se muestran entre paréntesis:

a Actividad de las especies o coste de superficie electródica(euros/m2)

A Área de electrodo (m2)

eA Área de electrodo por unidad de volumen de electrodo (m-1)

sA Área de electrodo por unidad de volumen de reactor (m-1)

xA Área de sección transversal (m2)

b Coste por unidad de energía eléctrica (euros kWh-1)

Ab Inversa de la pendiente de Tafel anódica (V)

Cb Inversa de la pendiente de Tafel catódica (V)

B Ancho de un electrodo plano (m)

c Concentración de seno del reactivo (mol m-3 o mol dm-3)

∆c Cambio en la concentración del reactivo (mol m-3 o mol dm-3)

C Conductancia (S), capital invertido (euros)

CA Coste de agitación (euros)

CC Capital circulante (euros)

CE Coste de potencia electrolítica (euros)

CI Capital inmovilizado (euros)

CP Capacidad calorífica a presión constante (J kg-1 K-1)

CR Coste del reactor (euros)

CT Coste de compra del terreno (euros)

CTOT Coste total del producto (euros)

d Diámetro (m)

de Diámetro equivalente de un canal de sección rectangular (m)

dp Diámetro medio de partícula (m)

D Coeficiente de difusión de una especie (m2 s-1)

E Potencial de electrodo vs electrodo de referencia (V o mV)

eE Potencial de electrodo de equilibrio (reversible) (V o mV)

oeE Potencial de electrodo formal (V o mV)

viii

CELE Potencial de célula, es decir EC – EA (V o mV)

eCELE Potencial de célula de equilibrio (V o mV)

E∆ Diferencia de potencial de electrodo (V o mV)

masa S,E Consumo de energía electrolítica -en base materia (J kg-1)

cantidad S,E Consumo de energía electrolítica -en base molar (J mol-1)

volS,E Consumo de energía electrolítica -en base volumen (J m-3)

VnE Consumo de energía volumétrica normalizada (J m-3)

f Frecuencia de un electrodo de disco rotatorio (s-1) o factor defricción

F Constante de Faraday (96485 C mol-1)

g Aceleración de la gravedad (9.807 m s-2)

∆G Variación de energía libre de Gibbs (J mol-1)

CELG∆ Variación de energía libre de Gibbs para la reacción de célula (Jmol-1)

h Espesor del lecho (m) o coeficiente de transferencia de calorindividual

CELH∆ Variación de entalpía para la reacción de célula (J mol-1)

I Corriente (A)

IL Corriente límite debido a la convección-difusión (A)

IOPT Corriente óptima (A)

ITOT Corriente total (A)

IP Corriente asociada a la reacción deseada (A)

j Densidad de corriente (A m-2)

jTC Densidad de corriente debida a transferencia de carga (A m-2)

jL Densidad de corriente límite por control de transporte de materia(A m-2)

j0 Densidad de corriente de intercambio (A m-2)

jr

Densidad de corriente catódica parcial (A m-2)

js

Densidad de corriente anódica parcial (A m-2)

k Constante de velocidad aparente de primer orden (s-1)

kr

Constante de velocidad para la reacción catódica (m s-1)

ks

Constante de velocidad para la reacción anódica (m s-1)

km Coeficiente de transporte de materia (m s-1)

ks Constante de velocidad estándar para un par redox (m s-1)

ix

k0 Constante de velocidad para una reacción electródica a E = 0frente a un electrodo de referencia (m s-1)

kP Conductividad térmica de la pared del reactor(W m-1 K-1)

K Constante de Kohlrausch (ohm-1 m1/2 mol-3/2)

l Longitud característica (m)

lp Espesor de la pared (m)

L Longitud de un electrodo plano (m)

Le Longitud adimensional

m Cantidad de especie (mol) o molalidad de especie (mol kg-1)

mA Cantidad de A reaccionado (mol)

mP Cantidad de reactivo convertido a producto (mol)

M Masa molar (kg mol-1)

n Número de electrones implicados en la reacción electródica(adimensional) o número de reactores idénticos en una cascada(adimensional)

nP Cantidad de producto P (mol)

N Flujo de materia (mol m-2 s-1)

NA Constante de Avogadro (6.022 x 1023 mol-1)

NL Flujo límite debido a la convección difusión (mol m-2 s-1)

p Presión (Pa)

P Permeselectividad de un ion (adimensional)

Q Carga eléctrica (C)

Qe Carga electrónica individual (1.60 x 10-19 C)

QP Carga eléctrica para formar producto, P (C)

QTOT Carga eléctrica total (C)

QV Caudal (m3 s-1)

r Orden de reacción (adimensional) o radio de un disco o electrodocilíndrico (m)

ri Radio interno de un electrodo cilíndrico (m)

R Constante de los gases (8.314 J K-1 mol-1) o resistencia (ohm)

Rn Resistencia no compensada (ohm)

RTC Resistencia de transferencia de carga (ohm)

s Espacio velocidad (s-1) o constante de célula de conductividad(m-1) o gradiente de velocidad (s-1)

x

sn Espacio velocidad normalizado (m3 m-3 s-1)

S Separación entre electrodos (m)

SN Pendiente de Nernst, es decir 2.3RT/nF (V o mV)

∆SCEL Variación de entropía para la reacción de célula (J K-1 mol-1)

SP Selectividad (adimensional)

t Tiempo (s)

t+ Número de transporte del catión (adimensional)

t- Número de transporte del anión (adimensional)

mt +Número de transporte del catión en la membrana (adimensional)

T Temperatura (K)

TSR Temperatura del reactor (K)

U Velocidad tangencial de un electrodo cilíndrico rotatorio (m s-1) ocoeficiente de transferencia de calor global (W m-2 K-1)

v Velocidad lineal media del electrolito (m s-1)

v(∞) Velocidad lineal media del electrolito en el seno (m s-1)

vx Velocidad lineal local del electrolito en la posición x (m s-1)

v+ Número de cationes por fórmula unidad de electrolito

v- Número de aniones por fórmula unidad de electrolito

V Volumen de electrolito (m3)

Ve Volumen de electrodo (m3)

Vm Volumen molar (m3 mol-1)

Vn Volumen de electrolito normalizado (m3)

VR Volumen de electrolito efectivo dentro del reactor (m3)

VT Volumen de electrolito en el tanque mezclador (m3)

w Masa de la especie (kg)

W Potencia requerida para el movimiento electrodo/electrolito (W)

WV Consumo de potencia volumétrica para la electrolisis (W)

VnW Consumo de potencia volumétrica normalizada para la electrolisis

(W)

CELW Consumo de potencia electrolítica (W)

Wi Velocidad de flujo de materia de la especie i (kg s-1)

x Distancia perpendicular desde la superficie del electrodo (m)

xi

XA Grado de conversión del reactivo (adimensional)

XA,t Grado de conversión del reactivo en el instante t (adimensional)

XA, n Grado de conversión del reactivo en n reactores idénticos encascada (adimensional)

y Distancia en la dirección y (m)

αA Coeficiente de transferencia para la reacción anódica(adimensional)

αC Coeficiente de transferencia para la reacción catódica(adimensional)

β Relación de corrientes límites

χ Factor de correlación

γ Factor de efectividad del transporte de materia o relación deaspecto de un electrodo de placa rectangular, S/B (adimensional)

γG Rendimiento de energía eléctrica (adimensional)

γH Rendimiento de energía térmica (adimensional)

γ+ Coeficiente de actividad del catión (adimensional)

γ- Coeficiente de actividad del anión (adimensional)

γ± Coeficiente de actividad iónico medio (adimensional)

δN Espesor de la capa de difusión de Nernst (m)

ε Porosidad/vacío del lecho (adimensional) o rugosidad superficial(m) o emisividad de la superficie

η Sobrepotencial, E – Ee (V o mV)

η’ Polarización (V o mV)

ηact Sobrepotencial de activación (V o mV)

ηconc Sobrepotencial de polarización (V o mV)

ηA Sobrepotencial en el ánodo (V o mV)

ηC Sobrepotencial en el cátodo (V o mV)

θi Rendimiento instantáneo (adimensional)

θO Rendimiento del producto (adimensional)

θP Rendimiento en materia total (adimensional)

κ Conductividad eléctrica o del electrolito (S m-1)

κefec Conductividad eléctrica efectiva de un seperador (S m-1)

κs Conductividad del electrolito efectiva dentro de los poros (S m-1)

+0λ Conductividad molar del catión a dilución infinita (S m-1mol-1)

xii

-0λ Conductividad molar del anión a dilución infinita (S m-1 mol-1)

Λ Conductividad molar del electrolito (S m-1 mol-1)

Λ0 Conductividad molar del electrolito a dilución infinita (S m-1

mol-1)µ Viscosidad dinámica de la disolución (centipoise)

ν Viscosidad cinemática de la disolución, viscosidad dinámica/densidad (m2 s-1)

ν+ Número de iones positivos de la disolución de una sal

ν- Número de iones negativos de la disolución de una sal

ρ Densidad del fluido (kg m-3)

ρe Resistividad del electrolito o eléctrica (ohm m)

ρefec Resistividad efectiva del separador (ohm m)

ρet Rendimiento espacio tiempo (mol m-3 s-1)

ρn Rendimiento normalizado (mol m-3 s-1)

σSB Constante de Stefan-Boltzmann (5.67 x 10-8 W m-2 K-4)

τyx Tensión tangencial entre las capas de fluido adyacentes (kg m-1

s-2)τR Tiempo de residencia medio del electrolito en el reactor (s)

τet Espacio tiempo (s)

τT Tiempo de residencia medio del electrolito en el tanquemezclador (s)

φ Eficiencia en corriente (adimensional)

φM Potencial absoluto en la fase electrodo (V)

φS Potencial absoluto en la fase disolución (V)

ω Velocidad de rotación del disco o cilindro (randián s-1)

Subíndices

A Ánodo o acumulado

ADS Adsorbido

ANO Anolito

C Cátodo

CAT Catolito

xiii

CE Contra electrodo

CEL Célula

CIRC Circuito

DISOL Disolvente

DON Disolución

e Equilibrio

E Electrolisis

EL Electrolito

EHS Electrodo de hidrógeno saturado

ER Electrodo de referencia

EST Disolución estándar de electrolito

ET Electrodo de trabajo

EV Evaporación

EXT Pérdidas exteriores

H Fuente externa

L A través de las paredes

n Normalizado con respecto a una reducción de una década porconcentración de reactivo

O Forma oxidada

P Pico

PC Pérdidas de calor

R Forma reducida

SEP Separador

TOT Total

V Valle

+ Catión

- Anión

x = 0 Sobre la superficie del electrodo o de la membrana

Superíndices

A ánodo

xiv

C cátodo

D derecha

e equilibrio

I izquierda

RBS reactor de baño simple

RCTA reactor continuo de tanque agitado

RFP reactor flujo pistón

0 condiciones estándar

Paréntesis

(0) a tiempo cero

(t) a tiempo t

(f) valor final

(ENT) a la entrada del reactor

(SAL) a la salida del reactor

(ENT,0) a la entrada del reactor, tiempo cero

(ENT,t) a la entrada del reactor, tiempo t

(SAL, n) a la salida del n-ésimo reactor idéntico en una cascada

Grupos adimensionales

Gr número de Grashof 2

3 p gL

µ

ρ ∆=

Le longitud adimensionalL

d e=

Nu número de Nusselt Pk

UL =

Pr número de Prandl P

P

k

C

µ=

Re número de Reynolds ν

l v =

ReCRIT número de Reynolds crítico para la transición del flujolaminar a turbulento

xv

Sc número de Schmidt D

ν =

Sh número de Sherwood D

lk m=

St número de Staton U

k m=

Wa número de Wagner /djd

l /

ηκ

=

Nota

Para líneas generales en el uso de símbolos y definiciones de términos, ver:

i. G. Kreysa, “Performance Criteria and Nomenclature in ElectrochemicalEngineering”, J. Appl. Electrochem., 15 (1985), 175.

ii. I. Mills, T. Cvitas, K. Homann, N. Kallay y K. Kuchitsu, “Quantities,Units and Symbols in Physical Chemistry” IUPAC, Blackwell, Oxford,1988.

iii. P. Glavic, “Symbols in Chemical Engineering”, Chem. Biochem. Eng.,Q5, (1991), 81.

iv. J. M. Coulson y J. F. Richardson con J. R. Backhurst y J. H. Harker,“Chemical Engineering, Volume I” 3ª Edición, Pergamon, Oxford,1985.

CONVENIO DE SIGNOS

El convenio de signo utilizado en este libro es como sigue: corrientesanódicas son positivas y las corrientes catódicas son negativas. Haciendo elpotencial de electrodo más positivo se incrementará la fuerza conductora para laoxidación mientras que haciéndola más negativo aumentará la fuerza conductorapara la reducción.

UNIDADES S.I.

En general, a lo largo de este libro se utiliza el sistema internacional deunidades (S.I.). Las unidades fundamentales son:

Cantidad física Nombre de la unidad Símbololongitud metro m

xvi

masa kilogramo kgtiempo segundo s

corriente eléctrica amperio Atemperatura T K

cantidad de sustancia mol mol

Algunas unidades derivadas importantes son:

Cantidad física Nombre de la unidad Símbolofuerza newton N (= kg m2 s-2)energía julio J ( = N m)potencia watio W ( = J s-1)presión pascal Pa (= N m-2)

carga eléctrica culombio C (= A s)potencial eléctrico voltios V (= J C-1)resistencia eléctrica ohm Ω o ohm (= V A-1)

conductancia eléctrica siemens S (= A V-1)capacitancia eléctrica faraday F (= C V-1)

frecuencia herzio Hz ( = s-1)

Referencias

i. I. Mills, T. Cvitas, K. Homann, N. Kallay y K. Kuchitsu, “Quantities,Units and Symbols in Physical Chemistry” IUPAC, Blackwell, Oxford,1988.

ii. “Revised Nuffield Science Book of Data”, Ed. H. Ellis, Longman,Harolw, UK, 1984.

1

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN

1.1 DEFINICIONES

La Ingeniería Electroquímica implica el diseño, caracterización y operaciónde componentes, montajes y procesos que impliquen la interconversión de energíaquímica y eléctricaϒ. Como se indica en la figura 1.1, la Ingeniería Electroquímicarequiere un tratamiento integrado de conceptos de electroquímica e ingeniería. Sepuede definir, por lo tanto, como “la comprensión y desarrollo de materialesprácticos y procesos que impliquen transferencia de carga en la superficie delelectrodo”.

La Ingeniería Electroquímicaƒ es la rama de la ingeniería que abarca todoslos aspectos siguientes:

i. Procesos electroquímicos, en los que los materiales sufren los cambiosrequeridos en composición, distribución de energía o estado físico.

ii. Los sistemas de procesado (especialmente el reactor electroquímico);

iii. Los productos resultantes;

iv. La aplicación del proceso o productos a un final útil.

El reactor electroquímico es el montaje clave en el procesadoelectroquímico y se puede definir como un “montaje controlado que es capaz desoportar una reacción electroquímica de aplicación práctica. Los reactoreselectroquímicos son, por lo tanto “células electroquímicas que realizan un servicioútil”.

El Ingeniero Electroquímico tiene un papel esencial y bien definido; él (oella) debe trasladar los conceptos de electroquímica (y ciencias relacionadas) a losprocesos, montajes y componentes operativos. Además, los problemas

ϒ Modificado desde un Informe de una reunión de trabajo de la Federación Europea deIngenieros Químicos.ƒ Modificado desde una reciente definición de la Institución de Ingenieros Químicos deIngeniería Química.