Electroquímica

Michael Faraday, Químico inglés considerado el fundador de la electroquímica actual.

Electroquímica es una rama de la química que estudia la transformación entre la energía eléctrica y la energía química.[1]

En otras palabras, las reacciones químicas que se dan en la interface de un conductor eléctrico (llamado electrodo, que puede ser un metal o un semiconductor) y un conductor iónico (el electrolito) pudiendo ser una disolución y en algunos casos especiales, un sólido.[2]

Si una reacción química es conducida mediante una diferencia de potencial aplicada externamente, se hace referencia a una electrólisis. En cambio, si la caída de potencial eléctrico, es creada como consecuencia de la reacción química , se conoce como un "acumulador de energía eléctrica", también llamado batería o celda galvánica.

Las reacciones químicas donde se produce una transferencia de electrones entre moléculas se conocen como reacciones redox, y su importancia en la electroquímica es vital, pues mediante este tipo de reacciones se llevan a cabo los procesos que generan electricidad o en caso contrario, son producidos como consecuencia de ella.

En general, la electroquímica se encarga de estudiar las situaciones donde se dan reacciones de oxidación y reducción encontrándose separadas, físicamente o temporalmente, se encuentran en un entorno conectado a un circuito eléctrico. Esto último es motivo de estudio de la química analítica, en una subdisciplina conocida como análisis potenciométrico.

IMPORTANCIA

Aplicación industrial:

APLICACIONES INDUSTRIALESLa descomposición electrolítica es la base de un gran número de procesos de extracción y fabricación muy importantes en la industria moderna. La sosa cáustica (un producto químico importante para la fabricación de papel, rayón y película fotográfica) se produce por la electrólisis de una disolución de sal común en agua. La reacción produce cloro y sodio. El sodio reacciona a su vez con el agua de la pila electrolítica produciendo sosa cáustica. El cloro obtenido se utiliza en la fabricación de pasta de madera y papel.

Una aplicación industrial importante de la electrólisis es el horno eléctrico, que se utiliza para fabricar aluminio, magnesio y sodio. En este horno,se calienta una carga de sales metálicas hasta que se funde y se ioniza. A continuación, se deposita el metal electrolíticamente.

Los métodos electrolíticos se utilizan también para refinar el plomo, el estaño, el cobre, el oro y la plata. La ventaja de extraer o refinar metales por procesos electrolíticos es que el metal depositado es de gran pureza. La galvanotécnia, otra aplicación industrial electrolítica, se usa para depositar películas de metales preciosos en metales base. También se utiliza para depositar metales y aleaciones en piezas metálicas que precisen un recubrimiento resistente y duradero. La electroquímica ha avanzado recientemente desarrollando nuevas técnicas para colocar capas de material sobre los electrodos, aumentando así su eficacia y resistencia. Tras el descubrimiento de ciertos polímeros que conducen la electricidad, es posible fabricar electrodos de polímeros.

Celdas galvanicas PILAS Galvánicas

Las pilas voltaicas (o galvanicas) son células electroquímicas en las que tiene lugar espontaneamente un proceso de oxidación-reducción que produce energía eléctrica.Para que se produzca un flujo de electrones es necesario separar fisicamente las dos semirreacciones del proceso. Una de estas reacciones ocurre al introducir la lámina de Zn en una disolución quecontiene iones cúpricos (por ejemplo sulfato cúprico, de color azul) Se observa que la disolución se decolora y, simultaneamente, cobre metalico se deposita sobre la lámina. Por otra parte, analizando el contenido de la disolución se detecta la presencia de iones Zn.Todo ello pone de manifiesto que ha tenido lugar espontaneamente la siguiente reacción redox:

Zn(s) + Cu(ac) Zn(ac) + Cu(s)

Esta reacción, en la que esta basada la pila de Daniell, se produce por una mayor tendencia de

los iones Zn a estar en disolución que los iones Cu. Cada ion Zn que se disuelve deja libres dos electrones en la lámina que son captados por un ión Cude ladisolución, reduciendose a Cu metálico. Los iones sulfato quedan como "espectadores" del proceso. Para que se produzca una corriente continua es necesario que los electrones pasen por un circuito eléctrico externo, lo que ocurre cuando se separan las dos semirreacciones en diferentes compartimientos:

Zn(s)Zn(ac) + 2 e-

Cu(ac) + 2 e- Cu(s)

De esta forma, los electrones liberados en la reacción de oxidacion del Zn pasan por un conductor para reducir al ion Cu.La separación de ambos procesos puede realizarse utilizando un tabique poroso, outilizando dos recipientes unidos por un puente salino

Un puente salino es un tubo en forma de U que contiene una disolucion concentrada de electrólito inerte respecto al proceso redox (por ejemplo, KCl). El puente salino cumple 3 funciones: permite el contacto electrico entre las disoluciones, impide que se mezclen ymantiene la neutralidad electrica en cada semipila.

A medida que transcurre el proceso, la lamina de zinc se va disolviendo y perdiendo peso, mientras que lo gana la de cobre al depositarse cobre metálico sobre ella. En las disoluciones, la concentración de iones Zn, va aumentando, mientras que la concentracion de iones Cuva disminuyendo. Al cabo de cierto tiempo la pila se agota.

Se debe tener cuidado respecto a los signos de los electrodos de la celda voltaica. Los electrones se liberan en el anodo y fluyen fuera de el. Como los electrones tienen carga negativa, se otorga al anodo un signo negativo. Por el contrario, los electrones fluyen desde el catodo a la solucion. De esta manera se da un signo positivo al catodo, porque atrae a los electrones negativos.

La pila descrita se representa mediante la notacion:

Zn| Zn 1mol/litro || Cu |Cu 1mol/litro

A la izquierda se coloca el electrodo negativo (ánodo), donde se produce la oxidación. A la derecha, la semipila que contiene el electrodo positivo (cátodo), donde tiene lugar la reducción. Los electrodos pasan del ánodo al catodo, a traves del conductor.La barra vertical | representa el contacto del electrodo con su disolución y la doble barra || representa la comunicación líquida entre las disoluciones de las dos semipilas. Si no existe separación física de las disoluciones, las semirreacciones se separan con una coma,por ejemplo:

Ni |Ni , Cl |Cl2(Pt)

Aqui la pila esta constituida por un electrodo de niquel sólido y un electrodo de cloro gaseoso, que consta de un tubo de vidrio con un soporte sólido, generalmente de platino, donde tiene lugar la transferencia de electrones

Celdas electrolítica:Una celda electrolítica consta de un liquido conductor llamado electrolítico además de dos electrodos de composición similar. La celda como tal no sirve como fuente de energía eléctrica, pero puede conducir corriente desde una fuente externa denominada acción electrolítica. Se usa en electro deposición, electro formación, producción de gases y realización de muchos procedimientos industriales, un ejemplo es la refinación de metales. Si debido al flujo de la corriente los electrodos se tornan desiguales, es posible que ocurra una acción voltaica.

Electrodo:

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Las baterías comunes poseen dos electrodos.

Un electrodo es una placa de membrana rugosa de metal un conductor utilizado para hacer contacto con una parte no metálica de un circuito, por ejemplo un semiconductor, un electrolito, el vacío (en una válvula termoiónica), un gas (en una lámpara de neón), etc. La palabra fue acuñada por el científico Michael Faraday y procede de las voces griegas elektron, que significa ámbar y de la que proviene la palabra electricidad; y hodos, que significa camino

Electrolito:

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Un electrólito o electrolito es cualquier sustancia que contiene iones libres, los que se comportan como un medio conductor eléctrico. Debido a que generalmente consisten de iones en solución, los electrólitos también son conocidos como soluciones iónicas, pero también son posibles electrólitos fundidos y electrólitos sólidos.

Electroquímica [editar]Artículo principal: electrólisis

Cuando se colocan electrodo en un electrólito y se aplica un voltaje, el electrólito conducirá electricidad. Los electrones solos normalmente no pueden pasar a través del electrólito; en vez de ello, una reacción química sucede en el cátodo, consumiendo los electrones del cátodo, y otra reacción ocurre en el ánodo, produciendo electrones para ser capturados por el ánodo. Como resultado, una nube de carga negativa se desarrolla en el electrólito alrededor del cátodo, y una carga positiva se desarrolla alrededor del ánodo. Los iones en el electrólito se mueven para neutralizar estas cargas para que las reacciones puedan continuar y los electrones puedan seguir fluyendo.

Por ejemplo, en una solución de sal ordinaria (cloruro de sodio, NaCl) en agua, la reacción en el cátodo será

2H2O + 2e− → 2OH− + H2

con lo que burbujeará gas hidrógeno; la reacción en el ánodo es

2H2O → O2 + 4H+ + 4e−

con lo que se liberará gas oxígeno. Los iones sodio Na+ positivamente cargados reaccionarán hacia el cátodo, neutralizando la carga negativa del OH− ahí presente, y los iones cloruro Cl− reaccionarán hacia el ánodo neutralizando la carga positiva del H+ de ahí. Sin los iones provenientes del electrólito, las cargas alrededor de los electrodos harían más lento el flujo continuo de electrones; la difusión de H+ y OH− a través del agua hacia el otro electrodo tomaría más tiempo que el movimiento de los iones de sodio más prevalentes.

En otros sistemas, las reacciones de los electrodos pueden involucrar a los metales de los electrodos, así como a los iones del electrólito.

Los conductores electrolíticos pueden ser utilizados en dispositivos electrónicos donde la reacción química en la interface metal/electrólito produce efectos útiles

No electrolito:

Principios de la batería:

Acumulador:Batería, batería eléctrica, acumulador eléctrico o simplemente acumulador, se le denomina al dispositivo que almacena energía eléctrica, usando procedimientos electroquímicos y que posteriormente la devuelve casi en su totalidad; este ciclo puede repetirse por un determinado número de veces. Se trata de un generador eléctrico secundario; es decir, un generador que no puede funcionar sin que se le haya suministrado electricidad previamente mediante lo que se denomina proceso de carga.

ElectrólisisDe Wikipedia, la enciclopedia libre

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Diagrama simplificado del proceso de electrólisis.

La electrólisis o electrolisis es un proceso para separar un compuesto en los elementos que lo conforman, usando para ello la electricidad.La palabra electrólisis viene de las raíces electro, electricidad y lisis, separación.

ÁnodoDe Wikipedia, la enciclopedia libre

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El electrodo de una celda electroquímica es el lugar donde se produce la reacción de oxidación:

En una célula electrolítica es el terminal positivo. En una pila es el terminal negativo, pues por definición el ánodo es el polo donde

ocurre la reacción de oxidación.

Por tanto se denomina ánodo al electrodo positivo de una célula electrolítica hacia el que se dirigen los iones negativos dentro del electrolito, que por esto reciben el nombre de aniones.

El término fue utilizado por primera vez por Faraday (serie VII de las Investigaciones experimentales sobre la electricidad) [1], con el significado de camino ascendente o de entrada, pero referido exclusivamente al electrolito de una celda electroquímica. Su vinculación al polo positivo del correspondiente generador implica la suposición de que la corriente eléctrica marcha por el circuito exterior desde el polo positivo al negativo, es decir, transportada por cargas positivas.

Parecería lógico definir el sentido de la corriente eléctrica como el sentido del movimiento de las cargas libres, sin embargo, si el conductor no es metálico, también hay cargas positivas moviéndose por el conductor externo (el electrolito de nuestra celda) y cualquiera que fuera el sentido convenido existirían cargas moviéndose en

sentidos opuestos. Se adopta por tanto, el convenio de definir el sentido de la corriente al recorrido por las cargas positivas cationes, y que es por tanto el del positivo al negativo (ánodo - cátodo).

En el caso de las válvulas termoiónicas, fuentes eléctricas, pilas, etc. el ánodo es el electrodo o terminal de mayor potencial. En una reacción redox corresponde al elemento que se oxidará.

El Ánodo galvánico o Ánodo de sacrificio fue la primera técnica de protección catódica utilizada. Se denomina de esta manera porque protegen de la corrosión a otro material, soportando toda la corrosión hasta que se agotan.

CátodoDe Wikipedia, la enciclopedia libre

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Se denomina cátodo al electrodo negativo de una célula electrolítica hacia el que se dirigen los iones positivos, que por esto reciben el nombre de cationes.

El término fue inventado por Faraday (serie VII de las Investigaciones experimentales sobre la electricidad) [1], con el significado de camino descendente o de salida, pero referido exclusivamente al electrolito de una celda electroquímica. Su vinculación al polo negativo del correspondiente generador implica la suposición de que la corriente eléctrica marcha por el circuito exterior desde el polo positivo al negativo, es decir, transportada por cargas positivas, convención que es la usual. Si el conductor externo fuera metálico, está demostrado que el sentido de la corriente realmente es el recorrido por los electrones hacia el positivo.

Sin embargo, en una célula electrolítica, el conductor es el electrolito, no un metal, y en él pueden coexistir iones negativos y positivos que tomarían sentidos opuestos al desplazarse. Por convenio se adopta que el sentido de la corriente es el del ánodo al cátodo o, lo que es lo mismo, del positivo al negativo.

En el caso de las válvulas termoiónicas, diodos, tiristores, fuentes eléctricas, pilas, etc. el cátodo es el electrodo o terminal de menor potencial y es la fuente primaria de emisión de electrones. Por ende, en una reacción redox corresponde al elemento que se reducirá.

Cátodo termoiónico [editar]

Es un electrodo que, por efecto del calor, emite electrones (efecto termoiónico). Se conecta a la tensión positiva.

En las válvulas termoiónicas es la fuente de electrones. El cátodo puede calentarse por sí mismo, haciendo circular por él una corriente de caldeo, o bien puede calentarse por un filamento al que está acoplado térmicamente. Para prolongar la vida de los dispositivos termoiónicos se buscan materiales con gran emisión de electrones a bajas temperaturas, por lo que se emplean aleaciones de torio, wolframio y torio o se recubre el cátodo de óxido de calcio.

Agente reductorDe Wikipedia, la enciclopedia libre

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«Reductor» redirige aquí. Para los reductores de velocidad, véase caja reductora.

Un agente reductor es aquel que cede electrones a un agente oxidante. Existe un método químico conocido como reacción de oxidación-reducción, o también llamado como reacciones redox, esta reacción se considera como reacciones de transferencia de electrones. Asimismo, La mayoría de los elementos metálicos y no metálicos se obtienen de sus minerales por procesos de oxidación o de reducción. Una reacción redox consiste en dos semireacciones, una semi-reacción implica la pérdida de electrones de un compuesto, en este caso el compuesto se oxida, mientras que en la otra semi-reacción el compuesto se reduce, es decir gana los electrones, uno actúa como oxidante y el otro como reductor. Como ejemplos tenemos:

Carbón Monóxido de carbono Muchos compuestos ricos en carbón e hidrógeno. Elementos no metálicos fácilmente oxidables tales como el azufre y el fósforo. Sustancias que contienen celulosa, tales como maderas, textiles, etc. Muchos metales como aluminio, magnesio, titanio, circonio Los metales alcalinos como el sodio, potasio, etc.

Monóxido de carbono

El monóxido de carbono es utilizado en metalurgia como agente reductor, reduciendo los óxidos de los metales. La reducción del mineral se efectúa en el alto horno a unos 900º C aproximadamente.

Aluminio

Puesto que el aluminio tiene gran afinidad química con el oxigeno se emplea en la metalurgia como reductor, así como para obtener los metales difícilmente reducibles (calcio, litio, y otros) valiéndose del así llamado procedimiento aluminotérmico.

OxidanteDe Wikipedia, la enciclopedia libre

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Símbolo de riesgo químico de la Unión Europea para agentes oxidantes.

Etiqueta genérica de mercancías peligrosas para agentes oxidantes.

Un agente oxidante es un compuesto químico que oxida a otra sustancia en reacciones electroquímicas o redox. En estas reacciones, el compuesto oxidante se reduce.

Básicamente:

El oxidante se reduce El reductor se oxida

Todos los componentes de la reacción tienen un número de oxidación En estas reacciones se da un intercambio de electrones

Reducción-oxidaciónDe Wikipedia, la enciclopedia libre

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

Trozo de metal oxidado (corroido)

Las reacciones de reducción-oxidación (también conocidas como reacciones redox) son las reacciones de transferencia de electrones. Esta transferencia se produce entre un

conjunto de elementos químicos, uno oxidante y uno reductor (una forma reducida y una forma oxidada respectivamente).

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

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

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; reducido.

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 se convierte en un elemento reducido, e igualmente forma un par redox con su precursor reducido.