Tema 6, Apuntes de Química

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Tema 6

Electroquímica

Curso 2017-2018"

Asignatura 33119-Química I

Responsable: Juan José Borrás

Aula AI-

Curso 2017-

tema 20 del Brown!

Una cita para empezar"

T-

“En la Mitologia Griega se dice que fue

Prometeo, uno de los Titanes, quien llevó el

fuego a la humanidad; pero la electricidad….

se la debemos a Michael Faraday” "

" "(Sir William Bragg)"

Pometeo lleva el fuego a la humanidad"

(Óleo en lienzo de Heinrich Friedrich Füger: ) "

M. Faraday (1791-1867)"

Alessandro Volta

(1745-1827)!

En realidad, el descubridor de la electricidad fue A. Volta quien

en 1793 comunicaba a la RSC los resultados de la denominada

Pila Volta de la siguiente manera:!

[email protected]

T-

 0HPEUDQH 3RWHQWLDO řŜş

7R XQGHUVWDQG KRZ PHPEUDQH SRWHQWLDOV DULVH OHW XV FRQVLGHU WKH VLPSOH FKHPLFDO HPV VKRZQLQ)LJXUH )LJXUHDGHSLFWV WZR.&O VROXWLRQV ERWK DW D FRQFHQ RQ RI  0  VHSDUDWHG E\ D PHPEUDQH SHUPHDEOH WR.  EXW QRW WR&O í LRQV VR.  XVHV DFURVV WKH PHPEUDQH ZLWKRXW LWV FRXQWHU LRQ ^&O í h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ell body Dendrites Nucleus Axon Axon terminals re 9. matic diagram of a neuron (nerve cell), made up of a cell body, an axon, and dendrites. endrites carry unidirectional nerve impulses from other neurons toward the cell body. xon transmits impulses to the adjacent neurons. Table 9. Distribution of Major Ions on Opposite Sides of the Membrane of a Transmisión del impulso nervioso" Electrocardiograma" Cadena de respiración terminal: Transporte de electrones y fosforilaciones"

T-

Sumario"

! Estados de oxidación y reacciones de oxidación-reducción

! Ajuste de reacciones redox!

! Celdas voltaicas!

! Fem de una celda voltaica en condiciones estándar!

! Energía libre y fem!

! Fem de una celda voltaica en condiciones no estándar !!

" Ecuación de Nerst!

" Neuronas: transmisión del impulso nervioso. Potencial de membrana!

! Aplicaciones!

" baterías y celdas de combustible!

" corrosión!

" electrolisis!

No lo estudiamos en este tema"

T-

Reacciones electroquímicas"

En las reacciones electroquímicas,

se transfieren electrones de una

especie a otra "

Zn (s) + Cu

2+

(ac) ↔ Zn

2+

(ac) + Cu (s)

Semirreacción de oxidación

Zn(s) pierde e

: se oxida

(oxidación: pérdida de e

)

El Zn (s) es el agente reductor

Zn(s) --> Zn

2+

• 2e

Cu

2+

• 2e

--> Cu(s)

Semirreacción de reducción

Cu

gana e

: se reduce

(Reducción: ganancia de e

)

El Cu

es el agente oxidante

Reacción Redox "

T-

Zn
Zn

2+

• 2e

!! Cu

2+

• 2e

Cu!

pérdida de electrones! !ganancia de electrones!

oxidación!!! reducción!

T-

Reacción de dismutación"

Es un tipo de reación electroquímica

en la que una misma especie se

oxida y se reduce simultánemente "

Para que una especie pueda sufrir una dismutación son

necesarias dos condiciones:

a) Que posea, al menos, 3 estados de oxidación.

b) Que se encuentre en un estado de oxidación intermedio.

ejemplo: Fe (s), Fe

+

, Fe

+

4 Ag

2 +

(ac) + 3 H

2

O(l) → Ag

2

O

3

• 2 Ag

(ac) + 6 H

(ac)

Cl

(g) + NaOH(ac)! NaCl(ac) + NaClO(ac) + H

O(l)

El hipoclorito de sodio, NaClO, se forma por dismutación de gas cloro que se hace burbujear

a través de una disolución diluida de hidróxido de sodio a temperatura ambiente:!

Estados de oxidación y reacciones de

oxidación-redución"

¿Cómo determinamos si una reacción es de

oxidación-reducción?

Reconociendo un cambio en el estado de

oxidación de los compuestos que

intervienen"

T-

Semireacción de oxidación y reducción"

! Una especie se oxida cuando pierde electrones.!

" En la reacción anterior, el zinc pierde dos electrones para pasar del

zinc metálico al ión Zn

.!

" el Zn(s) experimenta una semirreacción de oxidación!

! Una especie se reduce cuando gana electrones.!

" En la reacción anterior, cada uno de los H

gana un electrón y se

combinan para formar H

.!

" El protón experimenta una semirreaccion de reducción!

! La especie que se reduce es el agente oxidante.!

" H

oxida el Zn tomando electrones de él.!

! La especie que se oxida es el agente reductor.!

" El Zn reduce al H

cediéndole electrones.!

Zn(s) → Zn

2 +

(ac) + 2 e

−

2 H

(ac) + 2 e

−

→ H

2

(g)

Zn(s) + 2 H

(ac) → Zn

2 +

(ac) + H

2

(g)

T-

Asignación de los números de oxidación"

1. Los elementos en su forma elemental tienen un número de oxidación de

0.!

2. El número de oxidación de un ión monoatómico es el mismo que su

carga.!

3. Los no metales tienden a tener números de oxidación negativos, aunque

algunos son positivos en ciertos compuestos o iones.!

" El oxígeno tiene un número de oxidación de −2, excepto en el ión peróxido,

el cual tiene un número de oxidación de −1.!

" El del hidrógeno es −1 cuando está enlazado a un metal y de +1 cuando

está enlazado a un no metal.!

" El flúor siempre tiene un número de oxidación de −1.!

" Los otros halógenos tienen un número de oxidación de −1 cuando se

presentan como haluros. Cuando se combinan con oxígeno, poseen Nox

positivos.!

4. La suma de los números de oxidación en un compuesto neutro es 0.!
5. La suma de los números de oxidación en un ión poliatómico es la carga

en el ión.!

T-

Estados de oxidación en moléculas orgánicas"

C

H

O

H

H

H

Estados de oxidación"

C: 4-6= -2"

O: 6-8= -2"

H: 1-0= +1"

Estados de oxidación"

C: 4-2= +2"

O(1): 6-8= -2"

O(2): 6-8=-2"

H: 1-0= +1"

(1)"

(2)"

H C

O

O H

metanol"

Ácido acético"

2 Cr

O

• 3 C

H

OH + 16 H

→ 3 HC

O

H + 11 H

O + 4 Cr

elemento! Electroneg.!

O! 3.5!

N! 3.0!

C! 2.5!

H! 2.1!

T-

Ecuaciones redox. Ajuste "

! En una reacción redox, una sustancia se oxida y otra se reduce!

! Podemos pensar en el proceso redox como una combinación de una

semireacción de oxidación y otra de reducción!

! Ajustemos las siguientes reacciones!

"! H

S(g) +! Fe

(ac) -->! S(s) +! Fe

(ac) +! H

(ac)!

"! [MnO

]

(ac) +! Fe

(ac) -->! Mn

(ac) +! Fe

(ac)!

"! Cl

(ac) KOH(ac) -->! KCl(ac) +! KClO

(ac) +! H

O

(l)!

"! C

H

CHO (ac) +! K

Cr

O

(ac) +! H

SO

(ac) -->! C

H

COOH(ac) +

+! Cr

(SO

)

(ac) +! K

SO

(ac) +! H

O

(l)!

H

S(g) + 2 Fe

(ac) --> S(s) +2Fe

(ac) + 2 H

(ac)

[MnO

]

(ac) + 5 Fe

(ac) + 8 H

(ac) --> Mn

(ac) + 5 Fe

(ac) + 4H

O(l)

3 Cl

(ac) + 6 KOH (ac) --> 5 KCl(ac) + KClO

(ac) + 3 H

O (l)

3 C

H

CHO (ac) + K

Cr

O

(ac) + 4 H

SO

(ac) --> 3 C

H

COOH(ac) +

+ Cr

(SO

)

(ac) + K

SO

(ac) + 4 H

O (l)

EJERCICIO RESUELTO 20.1 Identificación de los agentes oxidantes y reductores

La batería de níquel-cadmio (nicad), una “celda seca” utilizada en los dispositivos que funcionan

mediante baterías, utiliza la siguiente reacción redox para generar electricidad:

Cd( s ) + NiO

2

( s ) + 2 H

2

O( l ) → Cd(OH)

2

( s ) + Ni(OH)

2

( s )

Identifique las sustancias que se oxidan y las que se reducen, e indique cuál es el agente

oxidante y cuál es el agente reductor.

SOLUCIÓN

Análisis: Tenemos una ecuación de oxidación-reducción y se nos pide identificar la sustancia que se oxida y la

que se reduce y que identifiquemos una como agente oxidante y a otra como agente reductor.

Estrategia: Primero, asignamos estados o números de oxidación, a todos los átomos en la reacción y

determinamos los elementos que cambian el estado de oxidación. Segundo, aplicamos las definiciones de

oxidación y de reducción.

El Cd incrementa su estado de oxidación de 0 a 12 y el Ni disminuye de +4 a +2.

Debido a que el átomo de Cd aumenta su estado de oxidación, se oxida (pierde electrones) y por lo tanto actúa

como agente reductor. El átomo de Ni disminuye su estado de oxidación cuando el NiO

2

se convierte en Ni(OH)

2

De esta manera, el NiO

2

se reduce (gana electrones) y por lo tanto actúa como agente oxidante.

Celdas electroquímicas"

Una celda electroquímica es un dispositivo en el

que se produce una

corriente eléctrica (flujo de electrones a través de

un circuito) gracias a una reacción química

espontánea (pila galvánica o pila voltaica) o en

que se utiliza corriente eléctrica para llevar a

cabo una reacción química no espontánea (célula

electrolítica).