UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJAÁREA DE LA EDUCACIÓN EL ARTE Y LA COMUNICACIÓN

CARRERA FÍSICO – MATEMÁTICASMODULO VI

Alumno: Luis Calva Docente: Dr. Guido BenavidezFecha: 13 – 02 – 2013 Asignatura: Física

1. ELECTROQUÍMICA.

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

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 sub disciplina conocida como análisis potenciométrico.

La electroquímica estudia las reacciones químicas producidas por acción de la corriente eléctrica (electrólisis) así como la producción de una corriente eléctrica mediante reacciones químicas (pilas, acumuladores), en pocas palabras, es el

estudio de las reacciones químicas que producen efectos eléctricos y de los fenómenos químicos causados por la acción de las corrientes o voltajes.

1.1. SISTEMAS ELECTROLÍTICOS.

Los sistemas electrolíticos son aquellos que presentan electrolitos, ya sean fuertes o de fuerza media capaces de conducir la electricidad, para ellos pueden estar presentes uno o más de este tipo de sustancias para poder mejorar la conducción de la electricidad.

Los sistemas electrolíticos, donde la reacción química está provocada por una corriente eléctrica continua, son la base de procesos importantes como la electrolisis de la sal, obtención del aluminio, metalotécnia, etc.

Emplean la energía más cara y equipos complejos, pero como contrapartida el rendimiento es muy grande y, por otra parte, es factible rentabilizar reacciones difíciles de realizar de otro modo. El consumo electroquímico en España supera el 5% de la producción eléctrica total.

Los reactores (electrolizadores) constan de una cuba, electrodos, tabique y circuito eléctrico: la reacción se produce en la interface metal-electrolito, y el diafragma o la membrana permiten la migración iónica, pero evitan si es preciso el contacto y con laminación de los productos; el conductor electrolítico (disolución iónica o fundido) se cierra mediante conductores metálicos externos. Los materiales de los electrodos y construcción del equipo son muy variados dependiendo de la aplicación, y una instalación industrial puede constar de baterías con gran número de electrolizadores en serie o en paralelo.

1.1.1. Leyes De Faraday.

Las leyes de Faraday de la electrólisis expresan relaciones cuantitativas basadas en las investigaciones electroquímicas publicadas por Michael Faraday en 1834.

Primera ley de Faraday de la electrólisis: La masa de una sustancia alterada en un electrodo durante la electrólisis es directamente proporcional a la cantidad de electricidad transferida a este electrodo. La cantidad de electricidad se refiere a la cantidad de carga eléctrica, que en general se mide en culombios.

Segunda ley de Faraday de la electrólisis: Para una determinada cantidad de electricidad (carga eléctrica), la masa de un material elemental alterado en un electrodo, es directamente proporcional al peso equivalente del elemento. El peso equivalente de una sustancia es su masa molar dividido por un entero que depende de la reacción que tiene lugar en el material.

Forma matemática:

La ley de Faraday en la forma moderna:

Donde:

m: es la masa de la sustancia producida en el electrodo (en gramos),

Q: es la carga eléctrica total que pasó por la solución (en culombios),

q: es la carga del electrón = 1.602 x 10-19 culombios por electrón,

n: es el número de valencia de la sustancia como ion en la solución (electrones por ion)

F = qNA = 96485 C·mol-1 es la Constante de Faraday,

M: es la masa molar de la sustancia (en gramos por mol), y

NA: es el Número de Avogadro = 6.022 x 1023 iones por mol.

I: es la corriente eléctrica (en amperios)

t: es el tiempo transcurrido (en segundos)

1.2. CINÉTICA ELECTROQUÍMICA.

Como ya se estableció anteriormente, existe una proporcionalidad entre el grado neto de avance de la reacción de un electrodo (v) y la corriente. Específicamente, v=i/nFA. También sabemos que para un determinado proceso sobre un electrodo la corriente no fluye en algunas regiones de potencial, pero fluye en diversos grados en otros. El grado de avance de la reacción es una fuerte función del potencial, y por ello requerimos constantes del grado de dependencia del potencial para una certera descripción de la dinámica de la transferencia de carga en la interface.

1.2.1. Velocidad de reacción.

Las reacciones químicas que involucran transferencia de carga eléctrica, son reacciones heterogéneas que se producen por la acción de un campo eléctrico aplicado o inducido por el sistema.

La cinética electroquímica se preocupa del estudio de la velocidad de ocurrencia de una reacción electroquímica como la siguiente:

La velocidad de la reacción v

El paso de 1 mol de reactivo a producto requiere de nF coulombs, y en consecuencia, la cantidad de carga dQ necesaria para consumir dNox de reactivo es:

La variación de la carga en el tiempo dt resulta igual a:

Pero, ; I= corriente eléctrica en [Amp]

Además, ; i= densidad de corriente (Amp/m2)

Por lo tanto:

La densidad de corriente i es entonces una medida de la velocidad de la reacción electroquímica que tiene lugar sobre un electrodo inmerso en un electrolito.

Toda transformación química que se desarrolla en el tiempo presenta un grado de resistencia o freno a su avance. Dependiendo del nivel de resistencia, se define la cinética de una reacción.

Por analogía eléctrica, un circuito reactivo simple opone una resistencia R al paso de la corriente.

La ley de Ohm relaciona la corriente I con el potencial eléctrico aplicado:

Mientras mayor es la resistencia R, se requiere aplicar una mayor diferencia de potencial para alcanzar un nivel de corriente I0 (paso de a’ → b’ en la figura).

La ley de Ohm establece que a 0 volt eléctrico, la corriente que circula por la resistencia R es cero.

En el caso de las reacciones electroquímicas, el 0 en corriente se establece en un punto de potencial termodinámico característico par a cada equilibrio dado por la ley de Nernst.

Así por ejemplo, para el equilibrio:

En condiciones estándar y en ausencia de interferentes redox, el potencial de corriente nula corresponde al potencial de equilibrio del sistema, es decir, Eeq

(E0) = + 0.34 V.

1.2.2. Densidad de corriente.

La densidad de corriente eléctrica se define como una magnitud vectorial que tiene unidades de corriente eléctrica por unidad de superficie, es decir, intensidad por unidad de área. Matemáticamente, la corriente y la densidad de corriente se relacionan como :

I es la corriente eléctrica en amperios A

es la densidad de corriente en A·m-2

S es la superficie de estudio en m²

1.2.3. Diferencia de potencial en sistemas electroquímicos.

El potencial de reducción de una sustancia puede definirse como la tendencia de los átomos de ésta para aceptar electrones, es decir, se refiere a qué tan fácilmente se

reducen estos átomos. El potencial de reducción implica la existencia de dos polos o electrodos, por lo que no es posible medir el potencial de un electrodo aislado. Por esta razón el potencial de una sustancia cualquiera se especifica en relación con otra sustancia, tomada como patrón. Por convención, el hidrógeno se toma como patrón y se le asigna arbitrariamente un potencial de reducción igual a cero, referido para una presión de una atmósfera, una temperatura de 25ºC y una concentración de protones ( ) 1 M. Bajo estas

condiciones se puede medir el potencial de una sustancia cualquiera por medio de una celda en la cual una de las semiceldas contiene un electrodo de hidrógeno (denominado electrodo normal de hidrógeno, ENH) y la otra, la sustancia por evaluar.

1.3. MIGRACIÓN IONICA.

Transporte de masa y carga en un electrolito debido a la acción de un campo eléctrico. En el caso de iones se conoce como migración iónica y en los coloides como migración electroforética.

Por definición:

El correspondiente coeficiente fenomenológico de migración será:

Ley de Faraday es posible vincular el flujo de transporte con la densidad de corriente ji.

Se define movilidad electrolitica Ui: UiCi posee unidades de conductividad X (S.m-

1)

1.3.1. Difusión pura.

Tenemos un transporte de partículas por efecto de un gradiente de potencial químico

Para soluciones diluidas, el coeficiente fenomenológico de difusión vale

1.3.2. Convención natural.

Transporte de masa o energía resultante de la acción mecánica producida por una fuerza interior o exterior (convección forzada), gravitacional y originada por gradientes de densidad (convección natural o libre).

El transporte por convección sigue la expresión general:

Para la convección forzada las ecuaciones son particulares de cada mecanismo, de la simetría del electrodo, de la geometría de la celda y del tipo de fluido

1.3.3. Conducción térmica.

La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a sustancias con las que no está en contacto. En el Sistema Internacional de Unidades la conductividad térmica se mide en W/(K·m) ( equivalente a J/(s·°C·m) )

La conductividad térmica es una magnitud intensiva. Su magnitud inversa es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor. Para un material isótropo la conductividad térmica es un escalar k definido como:

Donde:

, es el flujo de calor (por unidad de tiempo y unidad de área).

, es el gradiente de temperatura

1.3.4. Conducción de la electricidad en electrolitos.

La conducción eléctrica es el movimiento de partículas eléctricamente cargadas a través de un medio de transmisión (conductor eléctrico). El movimiento de las cargas constituye una corriente eléctrica. El transporte de las cargas puede ser a consecuencia

de la existencia de un campo eléctrico, o debido a un gradiente de concentración en la densidad de carga, o sea, por difusión. Los parámetros físicos que gobiernan este transporte dependen del material en el que se produzca.

La conducción en metales y resistencias está bien descrita por la Ley de Ohm, que establece que la corriente es proporcional al campo eléctrico aplicado. Se calcula la conductividad σ para caracterizar la facilidad con la que aparece en un material una densidad de corriente (corriente por unidad de área) j, definida como:

j = σ E

O por su recíproco la resistividad ρ:

j = E / ρ

La conducción en dispositivos semiconductores puede darse debido a una combinación de campo eléctrico (deriva) y de difusión. La densidad de corriente es entonces

j = σ E + D ∇qn

Siendo q la carga eléctrica elemental y n la densidad de electrones. Los portadores se mueven en la dirección de decrecimiento de la concentración, de manera que para los electrones una corriente positiva es resultado de una gradiente de densidad positivo. Si los portadores son "huecos", cámbiese la densidad de electrones n por el negativo de la densidad de huecos p

BIBLIOGRAFÍA.

http://es.wikipedia.org/wiki/Electroqu%C3%ADmica

http://ocw.upm.es/ingenieria-quimica/ingenieria-de-la-reaccion-quimica/contenidos/OCW/OR/pelectroquimicos.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Faraday_de_la_electr%C3%B3lisis

http://www.ramos.utfsm.cl/doc/495/sc/Cin_Electroq.pdf

http://www.fing.edu.uy/iq/cursos/ipeq/teorico/2007/18-20.09.2007.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_t%C3%A9rmica