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ElectroquímicaElectroquímica

12 de marzo de 2005

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Celda electroquimica

• Es un dispositivo experimental para generar electricidad mediante una reaccion redox espontanea.

• Se la conoce tambien como celda galvanica o voltaica

Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Celda electroquímica

ánodo cátodo

Puente salino

voltímetro

algodón

soluciónsolución

Reacción neta

es oxidado

a en el ánodoes reducido

a en el cátodo

semireacción semireacción

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La reacción de reducción siempre tiene lugar en el cátodo.

La reacción de oxidación siempre tiene lugar en el ánodo.

Por convención:

El cátodo corresponde al polo positivo de la pila.

El ánodo corresponde al polo negativo de la pila.

El puente salino se utiliza para unir los dos compartimentos de los electrodos y completar el circuito eléctrico. El más

utilizado es el KCl.

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Dispositivo experimental de la celda electroquimica

Voltímetro

Mide el voltaje de la celda o sea la fuerza electromotriz o fem (E)

y potencial de celda

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Diagrama de la celdaDiagrama de la celda

- Zno (s)/ Zn2+(aq) // Cu2+ (aq) / Cuo(s)

+

1M 1M

Zn0 + Cu2+ Zn2+ + Cu0

Zn(s) Zn2+(ac,1M) + 2e

significaCu2+(ac,1M) + 2e Cu(s)

significa

Significa puente salino

cátodoánodo

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¿Cómo determinamos cuál ¿Cómo determinamos cuál especie se oxida y cuál se reduce?especie se oxida y cuál se reduce?

Por medio de la tabla de Por medio de la tabla de potenciales de potenciales de

reducción.reducción.

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Electrodo de referencia

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voltímetrovoltímetro voltímetrovoltímetro

Puente salino

Celdas que operan en condiciones estándar

Zn(s)/Zn2+(1M) // H+(1M)/H2(1 atm)/ Pt(s)

Zn(s) Zn2+(1M) + 2e

2H+(1M) + 2e H2(1 atm)

Eº celda = Eº cátodo – Eº ánodo

Eº celda = Eº H+/H2 – Eº Zn2+/Zn

0.76V = 0 V – Eº Zn2+/Zn

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voltímetrovoltímetro voltímetrovoltímetro

Electrodo de Zn Electrodo de H2

(electrodo)

Puente salinoPuente salino

Celdas que operan en condiciones estándar

Zn(s) Zn2+(ac,1M) + 2e

Pt

H2(1 atm) 2H+(1M) + 2e

Cu2+(1M) + 2e Cu(s)

Pt(s)/H2(1 atm) / H+(1M)//Cu2+(1M) /Cu(s)

Eº celda = Eº cátodo – Eº ánodo

Eº celda = Eº Cu2+/Cu – Eº H+/H2

0.34V = Eº Cu2+/Cu – 0 V

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ánodo cátodo

Puente salino

voltímetro

algodón

soluciónsolución

es oxidado

a en el ánodoes reducido

a en el cátodo

Eº celda = Eº Cu2+/Cu – Eº Zn2+/Zn

Eº celda = 0.34 V – (– 0.76 V)

Eº celda = 1.10 V

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Fuertementereductor

Fuertementeoxidante

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Espontaneidad de la reacción redox

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//G/ G/ /E/ /E/

Espontaneidad de reacciones redoxEspontaneidad de reacciones redox

Energía química Energía eléctrica

Para procesos espontáneos : G -G -

E +E +

G = - n F E

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Relación entre FEM y el Relación entre FEM y el G G

G = -nF EG = -nF E

n = número de electrones transferidos

F = 1 Faraday = cantidad de carga eléctrico de 1 mol de electrones (96500 Coulombios)

Coulomb = Joule/Voltio

Relaciona el cambio de energía libre con la FEMRelaciona el cambio de energía libre con la FEM

En condiciones estándar :

Gº = - n F Eº

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Relación entre FEM y la KeqRelación entre FEM y la Keq

A partir de:

GG = GG + RT ln Q

En el equilibrio G = 0G = 0

GG = - RT ln Keq = - RT ln Keq

GG = - nF E = - nF ERecordando:

-nF E-nF E = - RT ln Keq- RT ln Keq

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EE = 0,06 log Keq = 0,06 log Keqn

EE = R T log Keq = R T log Keq

n F

a 298 K , F = 96500 J/V.mol, R = 8.314 J/K. mol

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Relación entreRelación entre Eº, KEº, Keqeq y y GG

GG Keq E

-- > 1 +

Reacción en condiciones estándar

Espontánea

0 = 1 0 En equilibrio

+ < 1 -- No espontánea

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Relacion entre la FEM estándar de la pila con la constante de equilibrio y el GG .

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Gr = G º + RT ln Q

- n F E = - n F Eº + RT ln Q

E = Eº - RT ln Q

n F

Indica la variación del potencial de la pila con la composición.

Ecuación de NernstEcuación de Nernst

aA + bB cC + dD

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Ecuación de NernstEcuación de Nernst

E = E - RT ln QnF

E = E - 0,06 V log [Productos]

[Reactivos]

Reactivos Productos

a 298 K , F = 96500 J/V.mol, R = 8.314 J/K. mol

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Celda de concentración Celda de concentración

E = E - RT ln QnF

Zn 2+ (aq) + 2 e- Znº (s)

Znº / Zn 2+ (aq, 0,10 M) // Zn 2+ (aq, 1,0 M)/ Zn (s)-- +

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E = 0,0296 V

E = 0 - 0.0257V ln 0,102 1,0

Celda de concentración Celda de concentración

Zn 2+ (1 M) Zn 2+ ( 0,1 M)

Zn º Zn 2+ ( 0,1 M) + 2 e

Zn 2+ (1 M) + 2 e Zn º (s)

Oxidación

Reducción

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Efecto del pH en el E Efecto del pH en el E reducciónreducción

MnO4 - + 8 H+ +5 e- 4 H2O + Mn 2+

E = E - 0,06 log [Mn 2+ ] n [MnO4

-] [H+ ]8

E = 1,51 V + 0,06 V log [MnO4 -] [H+ ]8

n [Mn 2+]

A mayor acidez, mayor E de reducción, mayor carácter oxidante

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E = 1,51 V - 0,012 x 8 (- log [H+ ])

E = 1,51 V - 0,012 x 8 x pH

E = E - 0,06 log [Mn 2+ ]

n [MnO4 -] [H+ ]8

[MnO4 -] = [Mn

2+]

E = 1,51 V - 0,06 log 1

5 [H+ ]8

•mayor acidez menor pH•mayor E de reducción mayor carácter oxidante

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BIBLIOGRAFÍA

• Atkins P.W, Jones L. Química . 3ra edición. Ed Omega. 1999.

• Chang R. Química. 6ta edición. Ed Mc. Graw Hill. 1999.