Procesos Voltaicos y Electroliticos-corrosión
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PROCESOS VOLTAICOS Y
ELECTROLITICOS EN
MATERIALES
INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE MATERIALES
Nelson J. Castellanos
Departamento de Química
Facultad de Ciencias
Universidad Nacional de Colombia
INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE MATERIALES
Nelson J. Castellanos
INTRODUCCIÓN
El deterioro de los materiales con el tiempo de exposición a un medio determinado es evidente y genera pérdidas a nivel industrial, comercial y doméstico.
Múltiples fallas de materiales en funcionamiento se presentan por deterioro o corrosión, causando pérdidas económicas, y a veces humanas.
Por qué se envejecen los materiales?
Cómo ocurre el envejecimiento de los materiales?
Cómo puede prevenirse la corrosión?
INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE MATERIALES
Nelson J. Castellanos
¿QUÉ ES LA CORROSIÓN?
En general, es el deterioro o degradación de los materiales
cuando se les expone a ciertos agentes químicos presentes
en el medio que los rodea.
Aunque es muy frecuente referirnos a la corrosión de los
metales, el término corrosión se emplea para designar el
deterioro de cualquier material: plásticos, metales,
cerámicos, etc.
Los plásticos se deterioran por el oxígeno del aire y por la radiación.
Los materiales (polímeros, pinturas, pigmentos) se decoloran por la luz.
Los cerámicos se deterioran por la humedad y por medios ácidos.
El hierro se deteriora por el oxígeno del aire y la humedad.
INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE MATERIALES
Nelson J. Castellanos
La corrosión altera las propiedades físicas y químicas de
los materiales, debilitando su resistencia mecánica y
cambiando su comportamiento químico, lo cual finalmente
disminuye el rendimiento de los materiales en su
funcionamiento
INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE MATERIALES
Nelson J. Castellanos
LA CORROSIÓN DE
LOS METALES SE
DESARROLLA
MEDIANTE PROCESOS
TÍPICOS DE OXIDO-
REDUCCIÓN
PRINCIPIOS DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN
• Qué es una reacción de oxidación-Reducción?
• Cuándo un elemento se oxida?
• Cuándo un elemento se reduce?
• Qué le ocurre al número de oxidación de un
elemento cuando éste se oxida?
• Qué le ocurre al número de oxidación de un
elemento cuando éste se reduce?
NO PUEDE HABER OXIDACIÓN SIN QUE OCURRA UNA
REDUCCIÓN SIMULTÁNEA EN EL MEDIO DE REACCIÓN
INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE MATERIALES
Nelson J. Castellanos
CONCEPTOS BÁSICOS
• Oxidación:
– Aumento del e.o. o pérdida de electrones
• Reducción:
– Disminución del e.o. o ganancia de electrones
• Reacción redox o de oxidación-reducción:
– Reacción de transferencia de electrones, en la que algunos elementos se oxidan y otros se reducen
• Agente Oxidante:
– Reactivo que gana electrones y se reduce
• Agente Reductor:
– Reactivo que cede electrones y se oxida
CONCEPTOS BÁSICOS
• OXIDACIÓN: Pérdida de electrones (o aumento en el número de oxidación).
• Ejemplo: Cu – 2e Cu2+
• REDUCCIÓN: Ganancia de electrones (o disminución en el número de oxidación).
• Ejemplo: Ag+ + 1e– Ag
• Siempre que se produce una oxidación debe producirse simultáneamente una reducción.
• Cada una de estas reacciones se denomina semirreacción.
CONCEPTOS BÁSICOS
Reacción de oxidación-reducción o REDOX
3 2 2 2 0 4 2
2 3 23 2 3Fe O CO Fe CO
gana electrones pierde electrones Fe Cy se reduce de +3 a 0
y se oxida de +2 a +4
es el oxidante es el reductor CO2 3Fe O
se reduce a se oxida a CO2 3Fe O 2COFe
1 20 02
( ) ( ) ( ) ( )2 2s ac ac sCu Ag Cu Ag
gana electrones pierde electrones Ag Cuy se reduce de +1 a 0
y se oxida de 0 a +2
es el oxidante es el reductor CuAg
se reduce a se oxida a CuAg 2Cu Ag
Ejemplo: Cu +AgNO3
• Introducimos un electrodo de cobre en una disolución de AgNO3,
• De manera espontánea el cobre se oxidará pasando a la disolución como Cu2+.
• Mientras que la Ag+ de la misma se reducirá pasando a ser plata metálica:
• a) Cu Cu2+ + 2e– (oxidación)
• b) Ag+ + 1e– Ag (reducción).
Ejemplo: Zn + Pb(NO3)2
• Al introducir una lámina de cinc en una disolución de Pb(NO3)2.
• La lámina de Zn se recubre de una capa de plomo:
• a) Zn Zn2+ + 2e– (oxidación)
• b) Pb2+ + 2e– Pb (reducción).
Ejemplo: Zn + HCl(aq)
• Al añadir HCl(ac) sobre Zn(s) se produce ZnCl2 y se desprende H2(g) que, al ser un gas inflamable, produce una pequeña explosión al acercarle un cerilla encendida.
OXIDANTES Y REDUCTORES
• OXIDANTES: El la sustancia capaz de oxidar a otra, con lo que ésta se reduce.
• REDUCTORES: El la sustancia capaz de reducir a otra, con lo que ésta se oxida.
• Ejemplo:
• Zn + 2Ag+ Zn2+ + 2Ag
• Oxidación: Zn (reductor) Zn2+ + 2e–
• Reducción: Ag+ (oxidante) + 1e– Ag
OXIDANTES Y REDUCTORES
Zn + 2Ag+ Zn2+ + 2Ag Oxidación: Zn (reductor) Zn2+ + 2e–
Reducción: Ag+ (oxidante) + 1e– Ag
Ejercicio A: Formule, complete y ajuste las siguientes
reacciones, justificando de que tipo son: a)Cloruro de hidrógeno más amoniaco. b)Carbonato cálcico más calor. c) Cloro más sodio. d) Ácido sulfúrico más zinc metal
a) HCl + NH3 NH4Cl
Ácido-base. No cambia ningún N.O.
b) CaCO3 CaO + CO2 (H<0)
Descomposición. No cambia ningún N.O.
c) ½ Cl2 + Na NaCl
N.O.: 0 0 +1 –1 Redox
d) H2SO4 + Zn ZnSO4 + H2
N.O.: +1 +6 –2 0 +2 +6 –2 0 Redox
Balance en reacciones redox (método del ion-electrón)
• Se basa en la conservación tanto de la masa como de la carga (los electrones que se pierden en la oxidación son los mismos que los que se ganan en la reducción).
• Se trata de escribir las dos semirreacciones que tienen lugar y después igualar el nº de e– de ambas, para que al sumarlas los electrones desaparezcan.
Al + 2H+ Al+3 + H2 Analicemos
este caso:
Balance en reacciones redox (método del ion-electrón)
Balance en reacciones redox (método del ion-electrón)
Escribimos la ecuación en forma iónica e identificamos las especies que cambian de número de oxidación:
Multiplicamos cada semirreacción por un número para igualar la cantidad de electrones transferidos. Sumamos las semirreacciones para obtener la ecuación iónica global ajustada.
Escribimos la ecuación en forma iónica e identificamos las especies que cambian de número de oxidación:
Pesos equivalentes de agentes oxidantes y reductores
Es de utilidad para los cálculos estequiometricos donde se involucran reacciones redox
Peso equivalente de una sustancia
Masa de un equivalente expresada en gramos
Masa de un equivalente que reacciona con 1
mol de electrones
Masa de un equivalente que
produce 1 mol de electrones
Ejemplo: Calcule el peso equivalente del K2Cr2O7 y de acido sulfhídrico H2S de acuerdo con la siguiente ecuación:
K2Cr2O7 + H2S + H2SO4 Cr2(SO4)2 + K2SO4 + S(s) + H2O
Cr2O7 -2 + S -2 Cr +2 + S(s)
Ejemplo: Calcule el peso equivalente del acido oxálico H2C2O4.2H2O y del permanganato de potasio KMnO4 con base en la siguiente ecuación:
MnO4 - + C2O4
-2 Mn +2 + CO2
Calculo del numero de equivalentes en procesos redox
Calcule el numero de equivalentes en 16.23 gramos de permanganato de potasio KMnO4 cuando se utiliza como agente oxidante a) en medio acido y b) en medio básico
MnO4 - Mn +2 Reacción en medio acido
MnO4 - MnO2
Reacción en medio básico
Aplicación: Titulaciones redox
El objetivo es determinar la concentración de una solución mediante la adición cuidadosa de una cantidad definida de una solución patrón de un agente oxidante o reductor
# de equivalentes del ag. reductor = # de equivalentes del ag oxidante
V x N ag. reductor = V x N ag oxidante
Para titular 30 mL de una solución de KMnO4 se necesitaron 25.4 mL de solución 0.150 N de FeSO4. Calcule: a) La normalidad de la solución de KMnO4 b) Los gramos de KMnO4 contenidos en 500 mL de la solución
de KMnO4 La reacción tiene lugar en medio acido según la siguiente ecuación: MnO4
- + Fe +2 Mn +2 + Fe +3
Una muestra de 0.43 gramos de un mineral de hierro se disuelve en un
poco de acido sulfúrico para convertir todo el hierro a Fe +2. La solución
resultante de este proceso requiere para su titulación 28.35 mL de solución
0.1274 N de KMnO4. Calcule el % de Fe en el mineral.
La reacción que tiene lugar es:
MnO4 - + Fe +2 Mn +2 + Fe +3
Estequiometria en reacciones redox
Los cálculos de las cantidades de reactivos y productos involucrados en reacciones REDOX se realizan de manera similar a los cálculos en otro tipo de reacciones
Cuantos gramos de acido oxálico H2C2O4.2H2O al 80.1% de pureza y cuantos gramos de permanganato de potasio KMnO4 al 92.3% de pureza se requieren para generar 1.56 litros de CO2 medidos a 680 mm Hg y 25°C si el rendimiento de la reacción es del 85%?? La reacción que ocurre es con base en la siguiente ecuación:
MnO4 - + C2O4
-2 Mn +2 + CO2
Electroquímica
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2Mg (s) + O2 (g) 2MgO (s)
2Mg 2Mg2+ + 4e-
O2 + 4e- 2O2-
Oxidación media reacción
(pierde e-)
Reducción media reacción
(gana e-)
19.1
Los procesos electroquímicos son las reacciones de
oxidación-reducción en que:
• la energía liberada por una reacción espontánea se
convierte en electricidad o ( procesos voltaicos)
• la energía eléctrica se usa para causar una reacción no
espontánea ( procesos electrolíticos)
0 0 2+ 2-
Celdas electroquímicas
19.2
Reacción redox
espontánea
oxidación
ánodo
Reducción
cátodo
Voltímetro
Cátodo
de cobre
Ánodo
de zinc
Puente
salino
Solución
de CuSO4
Solución
de ZnSO4
El Zinc se oxida
a Zn2+ en el ánodo El Cu2+ se reduce
a Cu en el cátodo
Reacción neta
Tapones
de
algodón
Zn(s) Zn2+(ac) + 2e-
Zn(s) + Cu2+ (ac) Zn2+(ac) + Cu(s)
2e- + Cu2+(ac) Cu(s)
Celdas electroquímicas
19.2
La diferencia en el potencial
eléctrico entre el ánodo y el
cátodo se llama:
voltaje de la celda
• fuerza electromotriz (fem)
• potencial de celda
Diagrama de celda
Zn (s) + Cu2+ (ac) Cu (s) + Zn2+ (ac)
[Cu2+] = 1 M & [Zn2+] = 1 M
Zn (s) | Zn2+ (1 M) || Cu2+ (1 M) | Cu (s)
ánodo cátodo
Potenciales estándares del electrodo
19.3
Zn (s) | Zn2+ (1 M) || H+ (1 M) | H2 (1 atm) | Pt (s)
2e- + 2H+ (1 M) H2 (1 atm)
Zn (s) Zn2+ (1 M) + 2e- Ánodo (oxidación):
Cátodo (reducción):
Zn (s) + 2H+ (1 M) Zn2+ + H2 (1 atm)
Voltímetro
Puente salino
Electrodo de zinc Electrodo de hidrógeno
Electrodo de Pt
Gas H2 a 1 atm
Potenciales estándares del electrodo
19.3
El potencial estándar de reducción (E0) es el voltaje
secundario a una reacción de reducción en un electrodo cuando
todos los solutos son 1 M y todos los gases están a 1 atm.
E0 = 0 V
Electrodo estándar de hidrógeno (EEH)
2e- + 2H+ (1 M) H2 (1 atm)
Reacción de reducción
Electrodo de Pt
Gas H2 a 1 atm
19.3
E0 = 0.76 V celda
Estándar fem (E0 ) cell
0.76 V = 0 - EZn /Zn 0
2+
EZn /Zn = -0.76 V 0 2+
Zn2+ (1 M) + 2e- Zn E0 = -0.76 V
E0 = EH /H - EZn /Zn celda 0 0
+ 2+ 2
Potenciales estándares del electrodo
E0 = Ecátodo - Eánodo celda 0 0
Zn (s) | Zn2+ (1 M) || H+ (1 M) | H2 (1 atm) | Pt (s)
Gas H2 a 1 atm
Electrodo de Pt
Electrodo de hidrógeno Electrodo de zinc
Puente salino
Voltímetro
Potenciales estándares del electrodo
19.3
Pt (s) | H2 (1 atm) | H+ (1 M) || Cu2+ (1 M) | Cu (s)
2e- + Cu2+ (1 M) Cu (s)
H2 (1 atm) 2H+ (1 M) + 2e- Ánodo (oxidación):
Cátodo (reducción):
H2 (1 atm) + Cu2+ (1 M) Cu (s) + 2H+ (1 M)
E0 = Ecátodo - Eánodo celda
0 0
E0 = 0.34 V celda
Ecelda = ECu /Cu – EH /H 2+ +
2
0 0 0
0.34 = ECu /Cu - 0 0 2+
ECu /Cu = 0.34 V 2+ 0
Voltímetro
Puente salino
Electrodo de hidrógeno Electrodo de cobre
Gas H2 a 1 atm
Electrodo de Pt
19.3
• E0 es para la reacción como
lo escrito
• Cuanto más positivo E0
mayor será la tendencia de
la sustancia a reducirse
• Las reacciones de
semicelda son reversibles
• El signo de E0 cambia
cuando la reacción se
invierte
• Si se cambia los
coeficientes
estequiométricos de una
reacción de semicelda no
cambia el valor de E0
¿Cuál es el fem estándar de una celda electroquímica
formada de un electrodo de Cd en una disolución 1.0 M de
Cd (NO3)2 y un electrodo de Cr en una disolución 1.0 M de
Cr(NO3)3?
Cd2+ (ac) + 2e- Cd (s) E0 = -0.40 V
Cr3+ (ac) + 3e- Cr (s) E0 = -0.74 V
Cd es el oxidante más
fuerte
Cd oxidará Cr
2e- + Cd2+ (1 M) Cd (s)
Cr (s) Cr3+ (1 M) + 3e- Ánodo (oxidación):
Cátodo (reducción):
2Cr (s) + 3Cd2+ (1 M) 3Cd (s) + 2Cr3+ (1 M)
x 2
x 3
E0 = Ecátodo - Eánodo celda 0 0
E0 = -0.40 – (-0.74) celda
E0 = 0.34 V celda
19.3
Calcule el potencial estándar de la siguiente reacción:
Cr2+ (aq) + Cl2(g) Cr3+ (ac) + Cl-1(aq)
19.4
Espontaneidad de las reacciones redox
G = -nFEcell
G0 = -nFEcell 0
n = número de moles de electrones en reacción
F = 96,500 J
V • mol = 96,500 C/mol
G0 = -RT ln K = -nFEcell 0
Ecell 0 =
RT
nF ln K
(8.314 J/K•mol)(298 K)
n (96,500 J/V•mol) ln K =
= 0.0257 V
n ln K Ecell
0
= 0.0592 V
n log K Ecell
0
Espontaneidad de las reacciones redox
19.4
2e- + Fe2+ Fe
2Ag 2Ag+ + 2e- Oxidación :
Reducción :
¿Cuál es la constante de equilibrio para la reacción
siguiente a250C? Fe2+ (ac) + 2Ag (s) Fe (s) + 2Ag+ (ac)
= 0.0257 V
n ln K Ecell
0
19.4
E0 = -0.44 – (0.80)
E0 = -1.24 V
0.0257 V
x n E0 cell exp K =
n = 2
0.0257 V
x 2 -1.24 V = exp
K = 1.23 x 10-42
E0 = EFe /Fe – EAg /Ag 0 0
2+ +
Efecto de la concentracion en fem de la celda
G = G0 + RT ln Q G = -nFE G0 = -nFE 0
-nFE = -nFE0 + RT ln Q
E = E0 - ln Q RT
nF
La ecuación de Nernst
A 298
19.5
- 0.0257 V
n ln Q E 0 E = -
0.0592 V n
log Q E 0 E =
Ocurrirá la siguiente reacción en forma espontánea a 250C
si [Fe2+] = 0.60 M y [Cd2+] = 0.010 M?
Fe2+ (aq) + Cd (s) Fe (s) + Cd2+ (aq)
2e- + Fe2+ 2Fe
Cd Cd2+ + 2e- Oxidación :
Reducción : n = 2
E0 = -0.44 – (-0.40)
E0 = -0.04 V
E0 = EFe /Fe – ECd /Cd 0 0
2+ 2+
- 0.0257 V
n ln Q E 0 E =
- 0.0257 V
2 ln -0.04 V E =
0.010
0.60
E = 0.013
E > 0 Espontánea
19.5
Baterías
19.6
Celda de Leclanché
Zn (s) Zn2+ (ac) + 2e- Ánodo:
Cátodo: 2NH4 (aq) + 2MnO2 (s) + 2e- Mn2O3 (s) + 2NH3 (aq) + H2O (l) +
Zn (s) + 2NH4 (ac) + 2MnO2 (s) Zn2+ (ac) + 2NH3 (ac) + H2O (l) + Mn2O3 (s)
Separador de papel
Pasta húmeda de ZnCl2 y NH4Cl
Capa de MnO2
Cátodo de grafito
Ánodo de zinc
El ánodo es la cubierta exterior de cinc que está en contacto con dióxido de manganeso (MnO2) y un electrolito. El electrolito contiene cloruro de amonio (NH4Cl) y cloruro de cinc (ZnCl2
) disueltos en agua a la cual se le agrega almidón para que la solución adquiera consistencia pastosa y no se escurra. El cátodo es una barra de grafito que está inmersa en la solución de electrolito en el centro de la pila.
Pilas comunes-pilas secas
Pila seca alcalina
Baterías
Zn(Hg) + 2OH- (ac) ZnO (s) + H2O (l) + 2e- Ánodo :
Cátodo : HgO (s) + H2O (l) + 2e- Hg (l) + 2OH- (ac)
Zn(Hg) + HgO (s) ZnO (s) + Hg (l)
Batería de mercurio
19.6
Cátodo de acero
Aislante
Ánodo (contenedor de Zinc)
Solución electrolítica de KOH, pasta de Zn(OH)2 y HgO
Baterías
19.6
Ánodo :
Cátodo :
Batería o cumulador
de plomo
PbO2 (s) + 4H+ (ac) + SO2- (ac) + 2e- PbSO4 (s) + 2H2O (l) 4
Pb (s) + SO2- (ac) PbSO4 (s) + 2e- 4
Pb (s) + PbO2 (s) + 4H+ (aq) + 2SO2- (ac) 2PbSO4 (s) + 2H2O (l) 4
Ánodo Cátodo
Tapa removible
Electrólito de H2SO4
Placas negativas (planchas de plomo llenas con plomo esponjoso)
Placas positivas (planchas de plomo llenas con PbO2
Batería de litio
• A diferencia de las baterías anteriores, la batería de litio tiene un conductor sólido en lugar de una solución de electrolito como conexión entre los electrodos. El ánodo es de litio metálico y el cátodo es de sulfuro de titanio (TiS2). El electrolito sólido es un polímero orgánico que permite el paso de los iones pero no de los electrones. Las reacciones que ocurren son:
Batería de litio
Cuando la batería funciona, los iones Li+ migran del ánodo al cátodo a través del electrolito sólido, mientras que los electrones circulan externamente del ánodo hacia el cátodo para completar el ciruito. El voltaje que puede alcanzar esta batería es de 3V y se puede recargar lo mismo que el acumulador de plomo.
Baterías
19.6 Batería de estado sólido de litio
Ánodo Cátodo
Electrólito sólido
Baterías
19.6
Una celda de
combustible es
una celda
electroquímica que
requiere un aporte
continuo de
reactivos para su
funcionamiento
Ánodo :
Cátodo : O2 (g) + 2H2O (l) + 4e- 4OH- (ac)
2H2 (g) + 4OH- (ac) 4H2O (l) + 4e-
2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (l)
Ánodo Cátodo
Electrodo de carbón poroso con Ni
Oxidación
Electrodo de carbón poroso con Ni y NiO
Reducción
Corrosión
19.7
Cátodo Ánodo
Aire
Agua
Hierro
Herrumbre
Distintos tipos de pilas
Pilas comunes
Batería de plomo
Procesos electrolíticos
Utilizadas en varios procesos industriales importantes
19.8
Electrólisis Es el proceso en el cual la energía eléctrica se
usa para inducir una reacción química no espontánea .
Ánodo Cátodo
Batería
Oxidación Reducción
Na Líquido Na Líquido
Ánodo de carbón
Cátodo de hierro Cátodo de hierro
NaCl fundido
Electrólisis
• La electrólisis es la descomposición de una sustancia o solución electrolítica por medio de la corriente eléctrica.
• La energía eléctrica induce una reacción química que no es espontánea y se lleva a cabo en una celda electrolítica.
• La reducción ocurre en el cátodo y la oxidación en el ánodo (igual que en las pilas).
• En las celdas electrolíticas el cátodo es negativo y el ánodo es positivo (al revés que en las pilas).
Posibles usos de las celdas electrolíticas
batería + -
Electrodos inertes
fem
Recipiente
e- e-
Medio conductor
La Celda
Signo o polaridad de los electrodos
(-) (+)
¿Qué especies químicas estarían presentes en una celda que contiene cloruro de sodio
fundido, NaCl (l)?
Na+ Cl-
Examinando la celda electrolítica que contiene NaCl fundido.
ELECTRÓLISIS POR VÍA SECA
En estos casos la electrólisis se realiza en ausencia de agua, se trabaja con electrolitos anhidros y para realizar la electrolisis es necesario fundir el electrolito.
Ejemplo: electrólisis del NaCl fundido
(l) Cl Na (s) Cl Na -
2 NaCl (ℓ) 2Na (ℓ) +Cl2 (g)
(-) Cátodo: 2 Na+(ℓ) +2e- 2 Na (ℓ) (+) Ánodo: 2Cl- (ℓ) Cl2 (g) + 2e-
Global: 2Na+(ℓ) + 2Cl-(ℓ) 2 Na(ℓ) + Cl2(g)
+ - batería
Na (l)
Semi celda Semi celda
NaCl fundido
Na+
Cl-
Cl- Na+
Na+
Na+ + e- Na 2Cl- Cl2 + 2e-
Cl2 (g) escapa
Observe las reacciones que ocurren en los electrodos
NaCl (l)
(-)
Cl-
(+)
+ - Batería
e-
e-
NaCl (l)
(-) (+)
cátodo ánodo
NaCl fundido
Na+
Cl-
Cl-
Cl-
Na+
Na+
Na+ + e- Na 2Cl- Cl2 + 2e-
cationes migran hacia el electrodo (-)
aniones migran hacia el electrodo (+)
A nivel microscópico
Celda electrolítica con NaCl fundido
Semi reacción catódica (-) REDUCCION Na+ + e- Na Semi reacción anódica (+) OXIDACION 2Cl- Cl2 + 2e-
Reacción global 2Na+ + 2Cl- 2Na + Cl2
Reacción no espontánea !
X 2
¿Qué especies química deberían estar presentes en un recipiente que contiene
cloruro de sodio en solución, NaCl (acuoso)?
Na+ Cl-
H2O
¿Serán las semi reacciones iguales o distintas de las anteriores?
• ELECTROLISIS POR VÍA HÚMEDA: La electrólisis se realiza para electrolitos disueltos en agua, es decir son procesos electrolíticos que tienen lugar en disolución acuosa.
• Cuando se usa una solución acuosa en una celda electrolítica, debemos considerar si es el agua o el soluto el que se va a oxidar o reducir en los electrodos. Dependerá de los valores de E°red.
• El agua se puede oxidar para formar oxígeno o reducirse para formar hidrógeno.
Electrólisis
Batería + - Fuente de poder
(f.e.m.)
e- e-
NaCl (aq)
(-) (+) Cátodo Semi celda diferente
NaCl acuoso
ánodo
2Cl- Cl2 + 2e-
Na+
Cl-
H2O
¿Qué se reduciría en el cátodo
Celda electrolítica con NaCl acuoso
Semi celda catódica posible (-) REDUCCION Na+ + e- Na 2H20 + 2e- H2 + 2OH-
Semi celda anódica posible (+) OXIDACION 2Cl- Cl2 + 2e-
2H2O O2 + 4H+ + 4e-
Reacción global 2Cl- + 2H20 H2 + Cl2 + 2OH-
Electrólisis del agua
19.8
Batería
Ánodo Cátodo
Oxidación Reducción
Solución de H2SO4 diluido
• Cuando el anión de la disolución es muy difícil de oxidar (el SO42-
de H2SO4), se oxidan las moléculas de agua, formando oxigeno e hidrogeno.
• Un anión de difícil descarga da lugar a la oxidación del agua en el ánodo
• En la electrólisis del agua, se electroliza una disolución 0,1M de H2SO4 (los iones H+ y SO4
2- conducen la electricidad ).
Productos de la electrólisis
En el ánodo se pueden oxidar SO42- o H2O. Observando los valores
de los potenciales se deduce que lo hará el agua. En el cátodo se reducen los H+.
Ánodo: 2H2O (ℓ) O2 (g) + 4H+ (ac) + 4e-
Cátodo: 2(2H+ (ac) + 2e- H2(g) )
Global: 2H2O (ℓ) O2 (g) + H2 (g)
no hay consumo neto de H2SO4
ΔE° = E°C – E°A
= 0 – 1,23V = -1,23 V
Productos de la electrólisis
• Electrólisis de una solución acuosa de NaCl (un catión de difícil descarga da lugar a la reducción del agua en el cátodo).
• Los iones Na+ y Cl- conducen la corriente eléctrica.
• Las reacciones posibles en el cátodo son la reducción del ion Na+ o del agua:
2H2O (ℓ) + 2e- H2(g) + 2OH-(ac) E°red = -0,826V
Na+(ac) + e- Na (s) E°red = -2,71V
Productos de la electrólisis
El paso de la misma cantidad de electricidad a través de una celda produce siempre la misma cantidad de transformación química para una reacción dada.
La masa de un elemento que se deposita o libera en un electrodo es proporcional a la cantidad de electricidad que pasa por él.
Deben pasar 96485 C de electricidad para depositar o liberar 1 mol de una sustancia que fije o ceda un electrón durante la reacción de la celda.
Aspectos cuantitativos de la electrólisis
Leyes de la electrólisis o de Faraday
• Si en una reacción intervienen n electrones, entonces se requieren 96485n C para liberar un mol de producto. La relación entre la cantidad de corriente y el número de moles de electrones es Q = n(e-)F, donde n(e-) es el Nº de moles de electrones y F es la constante de Faraday (96485 C/mol).
Aspectos cuantitativos de la electrólisis
La Ley de Faraday La masa que se deposita (o que se corroe) en un electrodo depende de la cantidad de corriente y al tiempo que dura la electrolisis.
Q = It coulomb
Intensidad de la Corriente en amperes (amp)
Tiempo en segundos
Para una cierta carga electrica, la cantidad de un metal que se deposita es proporcional a su peso equivalente ( peso atomico dividido por la carga del ion)
La Ley de Faraday Q es el producto de la corriente (en amperes) que pasa por unidad de tiempo (en segundos)
Q = It coulomb
Corriente en amperes (amp)
Tiempo en segundos
96500 coulomb = 1 equiv de cualquier sustancia 96500 coulomb = 1 Faraday= 1 equivalente 1 Faraday= 1 mol de electrons= 6,02 x 1023 e-
Electrólisis y cambios de masa
carga (C) = corriente (A) x tiempo (s)
1 mol e- = 96,500 C
19.8
Corriente
(amperios) y
tiempo
Carga en
culombios
Número de
moles de
electrones
Moles de
sustancia
reducida u
oxidada
Granos de
sustancia
reducida u
oxidada
¿Cuánto Ca se producirá en una celda electrolítica de
CaCl2 fundido si una corriente de 0.452 A se pasa a través
de la celda durante 1.5 horas?
Ánodo :
Cátodo : Ca2+ (l) + 2e- Ca (s)
2Cl- (l) Cl2 (g) + 2e-
Ca2+ (l) + 2Cl- (l) Ca (s) + Cl2 (g)
2 mol e- = 1 mol Ca
mol Ca = 0.452 C
s x 1.5 hr x 3600
s
hr 96,500 C
1 mol e- x
2 mol e-
1 mol Ca x
= 0.0126 mol Ca
= 0.50 g Ca
19.8
Ejemplos en los que se aplica La Ley de Faraday
• ¿Cuántos gramos de Cu se depositarán en 3,00 horas cuando se hace pasar una corriente de 4,00 amperes?
Cu+2 + 2e- Cu
• La carga de un electrón es 1,6021 x 10-19 coulomb. Calcular el número de Avogadro a partir del hecho que 1 F = 96487 coulombs/mol e-.
Formas comerciales de la Energía
La energía eléctrica suele expresarse comercialmente como Kilowatios-hora( kWh)
Relación entre Watios y Julios
1J = 1W.1s julios
watios Tiempo en segundos
1J = 1V.1C julios
Voltios
Columbios
Relación entre Julios y Voltios
Formas comerciales de la Energía
La energía eléctrica suele expresarse comercialmente como Kilowatios-hora( kWh)
Relación entre KWh y Julios
1kWh =1000W-1h
1W = 1J/s
1kWh =3,6 x 106J
Trabajo en clase
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