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Timestamp: 2018-08-17 08:06:29+00:00

Document:
ING. E. RAÚL MORALES MUÑOZ MSc.
02/08/2015 Ing. E. Raúl Morales Muñoz MSc. 1
Fuente: Fundamentos de Química General. Ing. Luis Escobar
Las transferencias de electrones que se producen entre los
átomos durante las reacciones químicas pueden transmitir
Energía al entorno, en forma de calor o de electricidad.
ELECTROQUÍMICA. Es la parte de la Química que estudia
tanto las reacciones químicas que producen electricidad, así
como las reacciones químicas producidas por la electricidad.
Es decir, estudia las transformaciones entre la Energía
eléctrica y la Energía química.
Las reacciones químicas que producen electricidad son por
lo general espontáneas y, a la inversa, la electricidad se usa
para provocar reacciones químicas no espontáneas.
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Las reacciones químicas que producen electricidad y las que
son producidas por la electricidad se denominan reacciones
Las reacciones electroquímicas son reacciones redox. Las
reacciones químicas que se producen por la acción de la
electricidad se denominan reacciones electrolíticas. Las
reacciones químicas que generan electricidad se denominan
reacciones de celda o de pila galvánica o voltaica, porque se
llevan a cabo en pilas o celdas electroquímicas, en las cuales
el cambio de Energía producido por una reacción química
produce flujo de carga eléctrica.
Las células del cerebro se comunican electroquímicamente.
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El funcionamiento de las baterías, la electrodeposición y la
corrosión de metales son ejemplos que involucran procesos
En la mayoría de las aplicaciones, el sistema reaccionante
está contenido en una celda electroquímica, considerada
En las reacciones electroquímicas intervienen electrolitos, y
en general sustancias que en ciertas condiciones pueden
conducir los electrones, tales como las sustancias iónicas.
Por esta razón las reacciones electroquímicas se escriben en
forma iónica, usando cargas eléctricas en lugar de números
de oxidación, usados para cualquier sustancia.
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que pueden ser balanceados mediante este método. Sulfato SO42– .. 02/08/2015 Ing.. 5 . Dicromato Cr2O72– . Cu1+. En este método. E. y oxianiones como Cromato CrO42– . Se puede pasar una ecuación no iónica a la forma iónica. Las ecuaciones de estas reacciones se balancean por separado y luego se suman para obtener la ecuación de la reacción redox balanceada. Raúl Morales Muñoz MSc. BALANCEO DE REACCIONES REDOX IÓNICAS METODO DE IONES Y ELECTRÓNES. Permanganato MnO41– . etc. etc. En algunas reacciones redox complejas participan cationes como Fe2+. Nitrato NO31– . usando ecuaciones iónicas. la reacción de óxido-reducción o redox se divide en la reacción de oxidación y en la de reducción.
6 . y no son electrolitos. O2. como los ácidos. pero las moléculas con enlaces covalentes se disocian con dificultad. por ejemplo las moléculas H2. E. y se balancea por el método general: FeCl2 + K2Cr2O7 + HCl  FeCl3 + CrCl3 + KCl + H2O 6 FeCl2 + K2Cr2O7 + 14 HCl  6 FeCl3 + 2 CrCl3 + 2 KCl + 7 H2O Los compuestos iónicos. el H2O2 y otras moléculas. en medio ácido: Fe2+ + Cr2O72– + H+ → Fe3+ + Cr3+ + H2O ó simplemente Fe2+ + Cr2O72– → Fe3+ + Cr3+ 02/08/2015 Ing. etc. Raúl Morales Muñoz MSc. se ionizan en medio acuoso. en mayor o menor grado.. En forma iónica podemos escribir. los óxidos. BALANCEO DE REACCIONES REDOX IÓNICAS En la siguiente ecuación no balanceada actúan sustancias iónicas y covalentes. bases y sales. N2. Cl2. el H2O.
Oxidación: Fe2+ → Fe3+ Reducción: Cr2O72– → Cr3+ 02/08/2015 Ing. Para balancear la ecuación seguimos los siguientes pasos: 1) Escribir la ecuación no balanceada de la reacción redox en su forma iónica. E. podemos balancear la ecuación que representa la oxidación de los iones Fe2+ a Fe3+ por los iones dicromato Cr2O72– en medio ácido. 7 . los iones Cr2O72– se reducen a iones Cr3+. Raúl Morales Muñoz MSc. Fe2+ + Cr2O72– → Fe3+ + Cr3+ 2) Separar las ecuaciones de Oxidación y de Reducción. BALANCEO DE REACCIONES REDOX IÓNICAS Usando ecuaciones iónicas. Como resultado.
los átomos están balanceados. Raúl Morales Muñoz MSc. se agrega H2O para balancear los átomos de Oxígeno. y H+ para balancear los átomos de Hidrógeno. Para las reacciones que se llevan a cabo en un medio ácido. BALANCEO DE REACCIONES REDOX IÓNICAS 3) Balancear las ecuaciones de Oxidación y de Reducción. 8 . E. Para balancear la carga se agrega un electrón a la derecha: Fe2+ → Fe3+ + 1e– 02/08/2015 Ing. de acuerdo con el número y tipo de átomos y cargas. En la reacción de Oxidación.
E. para balancear los átomos de Oxígeno se agregan 7 moléculas de H2O a la derecha: Cr2O72– → 2Cr3+ + 7H2O Para balancear los átomos de Hidrógeno agregamos 14 iones H+ al lado izquierdo de la ecuación: 14H+ + Cr2O72– → 2Cr3+ + 7H2O Ahora hay 12 cargas positivas del lado izquierdo y solo 6 cargas positivas del lado derecho. Por tanto. como la reacción tiene lugar en un medio ácido. agregamos 6 electrones al lado izquierdo de la ecuación: 14H+ + Cr2O72– + 6e– → 2Cr3+ + 7H2O 02/08/2015 Ing. Raúl Morales Muñoz MSc. BALANCEO DE REACCIONES REDOX IÓNICAS En la reacción de Reducción. 9 .
multiplicar las ecuaciones por el respectivo valor para igualar el número de electrones. Fe2+ → Fe3+ + 1e– (x 6) 14H+ + Cr2O72– + 6e– → 2Cr3+ + 7H2O Sumar las ecuaciones de Oxidación y de Reducción. BALANCEO DE REACCIONES REDOX IÓNICAS 4) Si las ecuaciones de Oxidación y Reducción contienen diferente número de electrones. y balancear la ecuación final por inspección. Los electrones en ambos lados de la ecuación se deben cancelar. 6Fe2+ → 6Fe3+ + 6e– 14H+ + Cr2O72– + 6e– → 2Cr3+ + 7H2O 6Fe2+ + 14H+ + Cr2O72– + 6e– → 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O + 6e– 02/08/2015 Ing. E. 10 . Raúl Morales Muñoz MSc.
Raúl Morales Muñoz MSc. y queda solo la ecuación redox neta balanceada. E. BALANCEO DE REACCIONES REDOX IÓNICAS Los electrones se cancelan en ambos lados. en forma iónica: 6Fe2+ + 14H+ + Cr2O72– → 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O Se verifica que la ecuación contenga el mismo tipo y número de átomos. La inspección final muestra que la ecuación resultante está atómica y eléctricamente balanceada. así como el valor algebraico resultante para las cargas en ambos lados de la ecuación. 11 . 02/08/2015 Ing.
Raúl Morales Muñoz MSc. estos se pueden combinar para dar Agua. E. Luego. por cada ion H+ debemos agregar un número igual de iones OH– en ambos lados de la ecuación. En el mismo lado de la ecuación donde aparezcan iones H+ y OH–. 12 . BALANCEO DE REACCIONES REDOX IÓNICAS En las reacciones en medio básico los átomos se balancean. 02/08/2015 Ing. como se hizo en el paso 4 para un medio ácido.
E. como cargas en movimiento. o en reposo. El concepto ELECTRICIDAD tiene dos definiciones: 1) Propiedad fundamental de la materia que se manifiesta por la atracción o repulsión entre sus partes. 2) Forma de Energía basada en esta propiedad. ENERGÍA ELÉCTRICA CARGA ELÉCTRICA q. en un sentido dado. 13 . a través de un medio. 02/08/2015 Ing. Es una propiedad física intrínseca de ciertas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción o repulsión entre ellas. que puede transmitirse por electrones o protones en movimiento. Raúl Morales Muñoz MSc. CORRIENTE ELÉCTRICA. o protones con carga positiva. Flujo de electrones. o transformarse en la Energía de otras entidades. debidas a electrones con carga negativa.
02/08/2015 Ing. Se suele confundir el concepto Corriente eléctrica con el concepto Intensidad de corriente. Raúl Morales Muñoz MSc. con un sentido permanentemente. INTENSIDAD DE CORRIENTE I. producido por diferencia de potenciales. producido por una diferencia de potenciales. ENERGÍA ELÉCTRICA CORRIENTE ALTERNA CA. Es la cantidad neta de carga eléctrica que pasa por la sección transversal de un material. E. que cambia periódicamente su sentido. Flujo o movimiento de electrones a través de un medio. En los temas que siguen nos referimos a Corriente Continua. Flujo de electrones a través de un medio. 14 . I = q/t Es una forma de velocidad. CORRIENTE CONTINUA CC. por unidad de tiempo.
Es la unidad del Sistema Internacional para la carga eléctrica q. 15 . el Amperio es la velocidad de cantidad de carga de 1 Coulombio por segundo: 1 A = 1 C/s Carga q [C] Intensidad de corriente  I [A]  tiempo t [s] ó q  I  t [C]  [A] [s] 02/08/2015 Ing. Por lo tanto. UNIDADES ELÉCTRICAS COULOMBIO [C]. Es la unidad de intensidad de corriente I. Se define como la cantidad neta de carga eléctrica igual a la que pasa por toda la sección de un conductor en el tiempo de un segundo. la Intensidad de corriente es la velocidad de cantidad de carga. E. En una sección. AMPERIO [A]. si la intensidad de corriente es de un Amperio. Es una unidad derivada. Raúl Morales Muñoz MSc.
16 . UNIDADES ELÉCTRICAS OHMIO []. Se define como la resistencia eléctrica del conductor en cuya sección hay la intensidad de un Amperio. Raúl Morales Muñoz MSc. mediante la siguiente ecuación: Longitud Resistencia  Resistencia Específica  Area l [cm] R []  [  cm]  A [cm 2 ] 02/08/2015 Ing. Es la unidad de resistencia eléctrica R. E. Voltaje V [V] Resistencia  R [ ]  Intensidad I [A] También la resistencia se calcula en función de la resistividad o resistencia específica. si la diferencia de potencial o fuerza electromotriz fem es de un Voltio [V].
en [J]/[s]. Potencia  Voltaje  Intensidad de corriente P V  I [W]  [V][A] 02/08/2015 Ing. Raúl Morales Muñoz MSc. por una resistencia de 1 Ω. Se define como la fem necesaria para que haya la intensidad de 1 A. E. tensión o fuerza electromotriz. Voltaje  Resistencia  Intensidad de corriente V  RI [V]  [][A] VATIO [W]. 17 . Es la unidad de potencia eléctrica. UNIDADES ELÉCTRICAS VOLTIO [V]. También se puede calcular como el producto del Voltaje o fem [V] por la Intensidad [A]. o pase 1C/s. medida como la variación del trabajo por unidad de tiempo. Es la unidad de Voltaje. potencial eléctrico.
en un segundo. Trabajo Energía W E Potencia   P  tiempo tiempo t t Trabajo  Potencia  tiempo W  Pt [J]  [W]  [s] Joule es el trabajo necesario para mover una carga eléctrica de un Coulombio a través de una diferencia de potencial de un Voltio. Trabajo Energía W E Voltaje   V  carga eléctrica carga eléctrica q q Trabajo  Voltaje  carga eléctrica W  V  q [J]  [V]  [C] 02/08/2015 Ing. E. igual a la producida por una potencia eléctrica de un Vatio. Raúl Morales Muñoz MSc. 18 . Es la unidad derivada del SI usada para medir la Energía. UNIDADES ELÉCTRICAS JOULE o VATIO-SEGUNDO. El Joule también se usa para medir trabajo y calor.
Es la unidad de capacidad eléctrica en el SI. E. 19 . El faraday es igual a 96500 Coulombios. Se define como la cantidad de carga eléctrica asociada a la masa de un equivalente-gramo de sustancia en un proceso electroquímico. que es una antigua unidad de carga eléctrica equivalente a la constante de Faraday. q [C] [A]  [s] [C]2 Ce  [F]    V [V] [V] [J] No debe confundirse con el faraday [f] (unidad). UNIDADES ELÉCTRICAS FARADIO [F]. Raúl Morales Muñoz MSc. 1 f = 96500 C constante de Faraday Fm = 96500 C (ver adelante) 02/08/2015 Ing.
E. UNIDADES ELÉCTRICAS LEY DE OHM. 20 . V α I (α es símbolo de proporcionalidad) La constante de proporcionalidad es la resistencia eléctrica que aparece en la relación: V = R∙I De donde: Diferencia de potencial V [V] Intensidad de corriente  I [A]  Resistencia R [] 02/08/2015 Ing. La diferencia de potencial entre dos puntos de un conductor es proporcional a la Intensidad de la corriente que circula por el conductor. Raúl Morales Muñoz MSc.
el Zn (s) se oxida a Zn2+ y el catión cúprico Cu2+ se reduce a Cu (s). E. REACCIONES REDOX DE SUSTITUCIÓN REACCIÓN REDOX DE SUSTITUCIÓN SIMPLE DE METALES. 21 . probablemente por un paso directo de dos electrones de un átomo de Zn (s) a un catión Cu2+. una masa de Cobre metálico Cu (s) se deposita sobre la barra de Zinc según la reacción: Zn (s) + CuSO4 → ZnSO4 + Cu (s) ó Zn (s) + Cu2+ → Zn2+ + Cu (s) En la reacción. Para indicar esta transferencia electrónica se puede desdoblar la reacción en dos reacciones. una de Oxidación y otra de Reducción: Zn (s) – 2e−→ Zn2+ Cu2+ + 2e− → Cu (s) 02/08/2015 Ing. Raúl Morales Muñoz MSc. Al introducir una barra metálica de Zinc Zn (s) en una Solución de Sulfato Cúprico CuSO4.
REACCIONES REDOX DE SUSTITUCIÓN Fuente: Imágenes Google Al inicio: 02/08/2015 Ing. 22 . Raúl Morales Muñoz MSc. E.
E. REACCIONES REDOX DE SUSTITUCIÓN Al final: 02/08/2015 Ing. Raúl Morales Muñoz MSc. 23 .
E. con transferencia de electrones a través de conductores extra. La Energía transmitida por una reacción redox espontánea de sustitución puede usarse para realizar trabajo eléctrico. Esta tarea se cumple por medio de una celda voltaica o galvánica. un dispositivo en el que la transferencia de electrones tiene lugar a lo largo de un conductor externo. y no directamente entre los reactantes. realizadores de las primeras celdas de este tipo. Raúl Morales Muñoz MSc. 02/08/2015 Ing. 24 . En una pila galvánica la reacción de Oxidación y de Reducción tienen lugar simultáneamente en subsistemas separados. REACCIONES REDOX DE SUSTITUCIÓN CELDAS GALVÁNICAS O VOLTAICAS. Se le llama así en honor a los científicos Luigi Galvani y Alessandro Volta.
Polo (−). En él se produce la Oxidación del Zn por pérdida Reducción del Cu2+ por ganancia de electrones. En él se produce la Polo (+). E. de electrones. Raúl Morales Muñoz MSc. Electricidad hacia el CÁTODO. Electricidad desde el ÁNODO. 25 . 02/08/2015 Ing. REACCIONES REDOX DE SUSTITUCIÓN CELDAS GALVÁNICAS O VOLTAICAS.
Raúl Morales Muñoz MSc. 26 . E. PILAS COMERCIALES PILAS SECAS BATERIAS 02/08/2015 Ing.
E. 27 . Raúl Morales Muñoz MSc. PILAS COMERCIALES PILAS DE MERCURIO PILAS ALCALINAS 02/08/2015 Ing.
CELDAS ELECTROLÍTICAS ELECTRÓLISIS. 02/08/2015 Ing. Es el proceso mediante el cual un compuesto químico se descompone en sus Elementos o en compuestos más simples. Raúl Morales Muñoz MSc. con características similares a las que se indicó para las celdas voltaicas o galvánicas. E. por acción de la corriente eléctrica. 28 . incrementando como consecuencia Energía química. Las celdas electrolíticas consumen electrones de una fuente de corriente externa. Una celda electroquímica de corriente continua consta de dos electrodos conductores cada uno sumergido en una Solución adecuada de electrolito.
Se expresa en [C/mol]. Es la carga total por mol de electrones.022  10 23 mol Fm  e pe  N Am Fm  96472. 19 C carga por electr ón : e pe  1.602  10 electrón electrones N Am  6. CELDAS ELECTROLÍTICAS CONSTANTE DE FARADAY Fm. Se expresa en [C]. Es la carga total de un mol de electrones.022  10 electrones 23 N AM  6.44 Se usa FM  96485 mol mol C También se puede usar valores redondeados Fm  96500 C ó FM  96500 mol 02/08/2015 Ing. CONSTANTE DE FARADAY MOLAR FM. E. 29 .44 C Se usa Fm  96485 C C C FM  e pe  N AM FM  96472. Raúl Morales Muñoz MSc.
mαq 2. La masa de cualquier sustancia liberada o depositada en un electrodo es directamente proporcional a la carga que pasa a través del electrolito. m α meq 02/08/2015 Ing. Las leyes de Faraday establecen las relaciones cuantitativas entre la cantidad de carga que pasa a través de una Solución y la cantidad del cambio químico que produce. Las leyes de Faraday se pueden plantear de la siguiente manera: 1. 30 . son directamente proporcionales a las masas equivalentes de las sustancias. Raúl Morales Muñoz MSc. E. Las masas de diferentes sustancias liberadas o depositadas en cada electrodo por la misma carga. CELDAS ELECTROLÍTICAS LEYES DE FARADAY.
31 . Raúl Morales Muñoz MSc. E. LEY DE FARADAY DE LA ELECTROLISIS Las leyes de Faraday pueden ser combinadas para obtener las siguientes relaciones: 1 m  q  meq Si υ(Elemento) es la υalencia estructural de un Elemento : Fm mm (Elemento) 1 mm meq (Elemento)  m q υ(Elemento) Fm υ mm (Oxidante) 1 mm meq (Oxidante)  m q N r e  ganados (Oxidante) Fm N r e  ganados mm (Reductor) 1 mm meq (Reductor)  m q N r e  perdidos (Reductor) Fm N r e  perdidos 1 mm m q e pe  N A m υ 02/08/2015 Ing.
602·10−19 C) = +4. E. o un exceso de 3 protones: q(Al3+) = 3·q(p+) q(Al3+) = 3·(+1. DATOS DE ENTRADA qr(Al3+) = 3+ q(p+) = +1.806·10−19 C (4 c.602·10−19 C (4 c. 32 . La carga eléctrica relativa del ión aluminio generalmente se designa con 3+.602·10−19 C q(e−) = −1.s. PROBLEMAS RESUELTOS Ejercicio 1.) q(Al3+) [C] RESOLUCIÓN El ión Al3+ tiene un déficit de 3 electrones. Expresar esta carga en Coulombios. Raúl Morales Muñoz MSc.) DATOS DE SALIDA (4 c.s.) 02/08/2015 Ing.s.
PROBLEMAS RESUELTOS Ejercicio 2.80 A (3 c. DATOS DE ENTRADA I = 1.36 min DATOS DE SALIDA (3 c. Calcular cuantos Coulombios pasarán por una sección dada del alambre en un tiempo de 1.80 Amperios a través de un alambre. E.) t = 1.) q RESOLUCIÓN q = I·t 02/08/2015 Ing. Se tiene una intensidad de 1.s.s. Raúl Morales Muñoz MSc. 33 .36 minutos.
C 60 s q  1.6 s  146.80 1.36 min  1. PROBLEMAS RESUELTOS 60 s t  1. Raúl Morales Muñoz MSc.88 C s q  147 C (3 cifras significat ivas) En ciertos casos conviene realizar los cálculos en una sola o en pocas operaciones unificadas.80 A 1.36 min   81. E.80  81.88 C s 1 min q  147 C (3 cifras significat ivas) 02/08/2015 Ing.36 min   146.80 A  81.6 s  1. 34 .6 s 1 min C q  1.
PROBLEMAS RESUELTOS Ejercicio 3. DATOS DE ENTRADA q = 18000 C I = 10. 35 .00 A (4 c. E.00 A.s.) t I 10.) DATOS DE SALIDA (4 c.s.00 s 02/08/2015 Ing. si se utiliza una corriente de 10.) t RESOLUCIÓN q q 18000 C 18000 C I t t t  1800 s (4 c. Cuál es el tiempo necesario para que circulen 18000 C.s. Raúl Morales Muñoz MSc.00A C 10.
36 .00 A (3 c. E. Una corriente de 2.) V = 110 V DATOS DE SALIDA (3 c. DATOS DE ENTRADA I = 2.) I 2.00A A 02/08/2015 Ing.0  (3 c.s. Raúl Morales Muñoz MSc. s.) R RESOLUCIÓN V 110 V V R R R  55  55  R  55. PROBLEMAS RESUELTOS Ejercicio 4. s. Calcular el valor de la resistencia.00 Amperios de intensidad fluye por una resistencia cuando se tiene en sus extremos una diferencia de potencial de 110 voltios.
37 . durante un tiempo de 100 días. Calcular la carga que ha pasado por la sección de un conductor que es parte su circuito. Expresar el resultado en faradays. DATOS DE ENTRADA I = 80.) RESOLUCIÓN 02/08/2015 Ing. Raúl Morales Muñoz MSc.) t = 100 d DATOS DE SALIDA (3 c. Una corriente de 80.s.0 μA (3 c. E.s.0 microamperios de intensidad fluye por una celda solar. PROBLEMAS RESUELTOS Ejercicio 5.
0 Amperios de Intensidad en el tiempo de 1. 38 . PROBLEMAS RESUELTOS Ejercicio 7.) m(Cu) RESOLUCIÓN La masa de Cu que se deposita en el cátodo es proporcional a la carga transferida a los cationes Cu2+: 02/08/2015 Ing.) t = 1.00 horas.00 h DATOS DE SALIDA (3 c. DATOS DE ENTRADA I = 20. Calcular la masa de Cobre Cu que se ha depositado en el cátodo.s. En la electrolisis de una Solución de Sulfato Cúprico CuSO4 circula una corriente de 20.0 A (3 c. Raúl Morales Muñoz MSc.s. E.
54 g 2  m eq (Cu )  63. PROBLEMAS RESUELTOS 60 s t  1 h  60 min   3600 s 1 min C q  I ·t q  20 A  3600 s  20  3600 s  72000 C s Se produce la reacción: 2CuSO4 + 2H2O → 2Cu + 2H2SO4 + O2 En forma iónica: 2Cu2+ + 2H2O → 2Cu + 4H+ + O2 Los cationes Cu2+ oxidan a los átomos O. m m (Oxidante) m eq (Oxidante)  N r e  ganados (Oxidante) Asumiendo que : m m (Cu)  m m (Cu 2  )  63.54 g  31. 39 . E. Raúl Morales Muñoz MSc. de NOX −2 a 0.77 g 2 02/08/2015 Ing.
7040 g Fm 96500 C m(Cu )  23. 40 . de NOX −2 a 0. PROBLEMAS RESUELTOS Se produce la reacción: 2CuSO4 + 2H2O → 2Cu + 2H2SO4 + O2 En forma iónica: 2Cu2+ + 2H2O → 2Cu + 4H+ + O2 Los cationes Cu2+ oxidan a los átomos O.44 C Fm  96500 C FM  96500 mol 1 1 m  q  meq m(Cu )   72000 C  31. C Fm  e pe  N Am e pe  1.602  10 19 N Am  6. Raúl Morales Muñoz MSc.77 g  23. E.7 g (3 cifras significativas) 02/08/2015 Ing.022  10 23 electrones electrón C Fm  96472.
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