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).

Celda local(Universidad Estatal de Iowa)

ELECTROQUÍMICA

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”.

Celda galvánica(Universidad Estatal de Iowa)

ELECTROQUÍMICA

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

Potencial estándar(Universidad Estatal de Iowa)

ELECTROQUÍMICA

• 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: