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TEMA-11

Electroquímica

QUÍMICA I

Tecnólogo en Minería

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Electroquímica

Fenómenos

eléctricos

Fenómenos

químicos

I n t r o d u c c i ó n

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Electroquímica

► Área de la Química que estudia la

interconversión entre energía

eléctrica y energía química.

► Estudia las relaciones que se

establecen entre la electricidad y las

reacciones químicas.

Fenómenos

eléctricos

Fenómenos

químicos

I n t r o d u c c i ó n

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I n t r o d u c c i ó n

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Electroquímica visible y aplicada:

► Baterías y celdas de combustible, como

fuentes de energía eléctrica → relojes digitales,

calculadoras, arranque de autos, marcapasos.

► Corrosión del hierro y otros metales y

métodos para controlarla.

► Respiración de los animales y transmisión de

impulsos nerviosos.

► Electrólisis cosmética, electrólisis percutánea

intratisular.

I n t r o d u c c i ó n

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I n t r o d u c c i ó n

Electroquímica visible y aplicada:

► Manufactura y acción de los blanqueadores.

► Obtención de productos químicos clave.

► Purificación de metales y procesos útiles en

joyería.

► Galvanizado, cromado.

► Electrosíntesis de antiinflamatorios (ibuprofeno).

► Músculos artificiales.

► Tratamiento de efluentes líquidos (eliminación /

recuperación de metales) y gaseosos

(desulfuración).

► Purificación del aire.

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N ú m e r o d e O x i d a c i ó n ( r e p a s o )

► Número arbitrario que se le ha asignado a

cada elemento químico y que indica la

cantidad de electrones que podría ganar,

perder o compartir cuando forma un

compuesto.

► Concepto ideado para seguir la pista de los

electrones en las reacciones redox.

Número de oxidación

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1. El número de oxidación de un átomo en su

forma elemental siempre es cero.

Ejemplo: n° de oxidación de cada uno de los

átomos de H en una molécula de H2 es cero.

2. El número de oxidación de un ion

monoatómico es igual a su carga.

Ejemplo: n° de oxidación de K+ = +1; n° de

oxidación de S2- = -2.

Reglas para asignar los números de oxidación

N ú m e r o d e O x i d a c i ó n ( r e p a s o - t e m a 4 C N )

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3. El número de oxidación del oxígeno

normalmente es -2 en compuestos tanto

iónicos como moleculares. Excepción en los

peróxidos, donde cada átomo de oxígeno

tiene un número de oxidación de -1.

4. El número de oxidación del hidrógeno es

+1 cuando está unido a no metales y -1

cuando está unido a metales.

Reglas para asignar los números de oxidación

N ú m e r o d e O x i d a c i ó n ( r e p a s o - t e m a 4 C N )

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5. El número de oxidación del flúor es de -1 en

todos sus compuestos.

Los demás halógenos tienen un número de

oxidación de -1 en la mayor parte de sus

compuestos binarios, pero cuando se combinan con

oxígeno tienen números de oxidación positivos.

6. La suma de los números de oxidación de todos los

átomos de un compuesto neutro es cero y en un ión

poliatómico es igual a la carga del ion.

Ejemplo: En el H3O+ el n° de oxidación de cada H es

+1 y el del O es -2.

Suma = 3(+1) + (-2) = 1 → carga neta del ion.

Reglas para asignar los números de oxidación

N ú m e r o d e O x i d a c i ó n ( r e p a s o - t e m a 4 C N )

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R e a c c i o n e s d e O x i d a c i ó n - R e d u c c i ó n ( R e d o x )

Conceptos Básicos

Reacciones de oxidación-reducción (redox):

Son aquellas reacciones donde se transfieren

electrones de una sustancia a otra.

► Hay una transferencia de electrones, donde una

sustancia gana electrones y la otra los pierde.

► Esta ganancia o pérdida de electrones se puede

visualizar a través de los números de oxidación

Ejemplo:

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Conceptos Básicos

Oxidación Reducción

Pérdida de electrones por

parte de una sustancia. Ganancia de electrones por

parte de una sustancia.

R e a c c i o n e s d e O x i d a c i ó n - R e d u c c i ó n ( R e d o x )

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Conceptos Básicos

Oxidación Reducción

Pérdida de electrones por

parte de una sustancia. Ganancia de electrones por

parte de una sustancia.

El número de oxidación de

la sustancia aumenta. El número de oxidación de

la sustancia disminuye.

R e a c c i o n e s d e O x i d a c i ó n - R e d u c c i ó n ( R e d o x )

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Conceptos Básicos

Oxidación Reducción

Pérdida de electrones por

parte de una sustancia. Ganancia de electrones por

parte de una sustancia.

El número de oxidación de

la sustancia aumenta. El número de oxidación de

la sustancia disminuye.

La sustancia que pierde

electrones se oxida. La sustancia que gana

electrones se reduce.

Ejemplo:

R e a c c i o n e s d e O x i d a c i ó n - R e d u c c i ó n ( R e d o x )

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Conceptos Básicos

Oxidación Reducción

Pérdida de electrones por

parte de una sustancia. Ganancia de electrones por

parte de una sustancia.

El número de oxidación de

la sustancia aumenta. El número de oxidación de

la sustancia disminuye.

La sustancia que pierde

electrones se oxida. La sustancia que gana

electrones se reduce.

R e a c c i o n e s d e O x i d a c i ó n - R e d u c c i ó n ( R e d o x )

En toda reacción redox si una sustancia se oxida,

otra necesariamente se reduce.

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► Las reacciones redox se pueden considerar

como la suma de dos etapas, conocidas como

semirreacciones o medias reacciones.

Se tiene así una semirreacción de reducción y

una semirreacción de oxidación.

Conceptos Básicos

R e a c c i o n e s d e O x i d a c i ó n - R e d u c c i ó n ( R e d o x )

Ejemplo:

Semirreacción de oxidación:

Semirreacción de reducción:

Reacción redox global :

Nótese que el número de electrones es el mismo en

ambas semirreacciones

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Agente Oxidante u Oxidante:

► Sustancia que hace posible que otra se

oxide.

► Se reduce en la reacción.

Agente Reductor o Reductor:

► Sustancia que hace que otra se reduzca.

► Se oxida en la reacción.

R e a c c i o n e s d e O x i d a c i ó n - R e d u c c i ó n ( R e d o x )

Conceptos Básicos

Ejemplo:

El Fe3+ se reduce → agente oxidante

El Sn2+ se oxida → agente reductor

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Agente Oxidante u Oxidante:

► Sustancia que hace posible que otra se

oxide.

► Se reduce en la reacción.

Agente Reductor o Reductor:

► Sustancia que hace que otra se reduzca.

► Se oxida en la reacción.

R e a c c i o n e s d e O x i d a c i ó n - R e d u c c i ó n ( R e d o x )

Conceptos Básicos

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Agente Oxidante u Oxidante:

► Sustancia que hace posible que otra se oxide.

► Se reduce en la reacción.

Agente Reductor o Reductor:

► Sustancia que hace que otra se reduzca.

► Se oxida en la reacción.

R e a c c i o n e s d e O x i d a c i ó n - R e d u c c i ó n ( R e d o x )

Conceptos Básicos

Cd aumenta n° de oxidación → se oxida → agente reductor

Ni en NiO2 disminuye n° de oxidación → se reduce → agente

oxidante

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C e l d a s V o l t a i c a s

La energía liberada por una reacción redox

espontánea puede usarse para realizar trabajo

eléctrico.

► Obtención de energía eléctrica a partir de

una reacción redox.

► Esto se puede hacer empleando una celda

voltaica (también llamada celda galvánica).

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Celda Voltaica o Galvánica:

► Dispositivo experimental para generar

electricidad mediante una reacción redox

espontánea.

► La transferencia de electrones se da a lo

largo de un camino externo y no directamente

entre los reactivos.

C e l d a s V o l t a i c a s

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Ejemplo: Cuando se coloca una lámina de Zn

dentro de una disolución acuosa de Cu2+ se da

la siguiente reacción espontánea

C e l d a s V o l t a i c a s

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Ejemplo: La misma reacción se puede llevar a

cabo a través del siguiente circuito

C e l d a s V o l t a i c a s

La lectura del voltímetro indica

que se obtiene energía eléctrica

útil a partir de la reacción redox

involucrada.

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Ánodo:

► Electrodo donde ocurre la oxidación.

► Electrodo hacia el cual migran los aniones.

Cátodo:

► Electrodo donde ocurre la reducción.

► Electrodo hacia el cual migran los cationes.

Electrolito:

Disolución conductora de la corriente

eléctrica.

Componentes Generales de una Celda Voltaica

C e l d a s V o l t a i c a s

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Puente Salino:

Electrolito inerte (a efectos de las especies

presentes), separado físicamente del

electrolito activo, que permite mantener la

neutralidad eléctrica.

Elementos para completar el circuito externo:

Alambres, voltímetro, interruptor.

Componentes Generales de una Celda Voltaica

C e l d a s V o l t a i c a s

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Componentes Generales de una Celda Voltaica

En toda celda voltaica los electrones fluyen

desde el ánodo hacia el cátodo por el

circuito externo.

C e l d a s V o l t a i c a s

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Ejemplo: Diagrama de la celda voltaica

mostrada anteriormente, basada en la reacción

C e l d a s V o l t a i c a s

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► Fuerza motriz que empuja a los electrones a

lo largo del circuito externo.

► Diferencia de potencial que hace que pase

una corriente desde el electrodo de alto

potencial hasta el de bajo potencial.

► La designaremos como Ecelda y es:

Potencial de Celda o Fuerza Electromotriz (FEM)

C e l d a s V o l t a i c a s

Ecelda = Ecátodo - Eánodo

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En uno de los ejemplos que

vimos:

Potencial de Celda o Fuerza Electromotriz (FEM)

C e l d a s V o l t a i c a s

Ecelda = Ecátodo - Eánodo

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Potencial de Celda o Fuerza Electromotriz (FEM)

C e l d a s V o l t a i c a s

Los electrones fluyen del ánodo al

cátodo debido a una diferencia de

energía potencial.

La energía potencial del ánodo es

mayor que la del cátodo.

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La FEM de una celda depende de:

► Las reacciones que se llevan a cabo en el

ánodo y en el cátodo.

► La concentración de reactivos y productos.

► El potencial estándar de celda, E°.

► La temperatura.

Potencial de Celda o Fuerza Electromotriz (FEM)

C e l d a s V o l t a i c a s

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Para una reacción redox del tipo:

aA + bB → cC + dD

Potencial de Celda o Fuerza Electromotriz (FEM)

C e l d a s V o l t a i c a s

b

B

a

A

d

D

c

C0

·

··ln

RT

CC

CC

nFEE Ecuación de Nernst

Potencial estándar (de reducción, por convención)

Constante de los gases, R = 8.314 J / mol.K

Temperatura absoluta

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Para una reacción redox del tipo:

aA + bB → cC + dD

Potencial de Celda o Fuerza Electromotriz (FEM)

C e l d a s V o l t a i c a s

b

B

a

A

d

D

c

C0

·

··ln

RT

CC

CC

nFEE Ecuación de Nernst

Cantidad de electrones intercambiados

Constante de Faraday, F = 96500 C / mol

Cociente de reacción, Q

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► Potencial de una celda formada por el

electrodo en cuestión y el electrodo estándar

de hidrógeno, cuando la concentración o

presiones parciales de todas las especies es

igual a 1.

Potencial Estándar de Reducción

C e l d a s V o l t a i c a s

Ejemplo:

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Potencial Estándar de Reducción

C e l d a s V o l t a i c a s

Nivel de referencia.

Por convención: cero voltios

a todas las temperaturas

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► Medida de la tendencia de una especie a

reducirse.

→ Cuanto más positivo es el valor de los E0red

de una media reacción tanto mayor es la

tendencia del reactivo a reducirse y por lo

tanto a oxidar a otras especies.

Potencial Estándar de Reducción

C e l d a s V o l t a i c a s

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Potencial Estándar de Reducción

C e l d a s V o l t a i c a s

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Potencial Estándar de Reducción

C e l d a s V o l t a i c a s