17: Electroquímica
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- 17.1: Reacciones de oxidación-reducción
- En una clase grande e importante de reacciones encontramos útil enfocarnos en la transferencia de uno o más electrones de un resto químico a otro. Las reacciones en las que los electrones se transfieren de un resto químico a otro se denominan reacciones de oxidación-reducción, o reacciones redox, para abreviar.
- 17.3: Definición de Estados de Oxidación
- La definición de estados de oxidación es anterior a nuestra capacidad de estimar densidades de electrones a través de cálculos mecánicos cuánticos. Resulta que, sin embargo, las ideas que llevaron al formalismo del estado de oxidación son direccionalmente correctas; los átomos que tienen altos estados de oxidación positiva según el formalismo también tienen cargas positivas relativamente altas por cálculo mecánico cuántico.
- 17.5: Potencial eléctrico
- El potencial eléctrico se mide en voltios. Si un sistema que comprende un culombo de carga pasa por una diferencia de potencial de un voltio, se realiza un julio de trabajo en el sistema. Si esto representa un aumento o una disminución en la energía del sistema depende del signo de la carga y del signo de la diferencia de potencial. El potencial eléctrico y el potencial gravitacional son análogos.
- 17.6: Celdas electroquímicas como elementos de circuito
- Si va a ocurrir la reacción entre iones de plata y cobre metálico, los electrones deben pasar a través del circuito externo desde el terminal de cobre hasta el terminal de plata. Un electrón que es libre de moverse en presencia de un potencial eléctrico debe alejarse de una región de potencial eléctrico más negativo y hacia una región de potencial eléctrico más positivo.
- 17.7: La dirección del flujo de electrones y sus implicaciones
- La diferencia entre las celdas electrolíticas y galvánicas radica en la dirección del flujo de corriente y, correspondientemente, la dirección en la que se produce la reacción celular. En una celda galvánica, se produce una reacción química espontánea y esta reacción determina la dirección del flujo de corriente y los signos de los potenciales de los electrodos. En una celda electrolítica, el signo de los potenciales de electrodo está determinado por una fuente de potencial aplicada, que determina la dirección del flujo de corriente.
- 17.8: La electrólisis y el Faraday
- Las celdas electrolíticas son muy importantes en la fabricación de productos esenciales para nuestra civilización intensiva en tecnología. Solo los procesos electrolíticos pueden producir muchos materiales, notablemente metales que son fuertes agentes reductores. El aluminio y los metales alcalinos son ejemplos conspicuos. Muchos procesos de fabricación que no son electrolíticos en sí mismos utilizan materiales que se producen en celdas electrolíticas. Estos procesos no serían posibles si los productos electrolíticos no estuvieran disponibles.
- 17.9: Electroquímica y Conductividad
- A partir de las consideraciones que hemos discutido, es evidente que cualquier celda electrolítica implica un flujo de electrones en un circuito externo y un flujo de iones dentro de los materiales que comprenden la celda. La función de los colectores de corriente es transferir electrones de un lado a otro entre el circuito externo y los reactivos celulares.
- 17.10: El Electrodo Estándar de Hidrógeno (S.H.E)
- También tenemos que elegir una media celda de referencia arbitraria. La elección que se ha adoptado es el Electrodo Estándar de Hidrógeno, a menudo abreviado S.H.E. El S.H.E. se define como una pieza de metal platino, sumergida en una solución acuosa de actividad unitaria de un ácido protónico, y sobre cuya superficie el gas hidrógeno, a fugacidad unitaria, se pasa continuamente. Estas elecciones de concentración hacen que el electrodo sea un electrodo estándar.
- 17.12: Potenciales de electrodo estándar
- Adoptamos una convención muy útil para tabular las caídas de potencial a través de celdas electroquímicas estándar, en la que una media celda es la S.H.E. Dado que el potencial de la S.H.E. es cero, definimos el potencial de electrodo estándar, de cualquier otra semicelda estándar (y su semirreacción asociada) como la diferencia de potencial cuando la semicelda opera espontáneamente versus la S.H.E. El potencial eléctrico de la semicelda estándar determina tanto la magnitud como el signo de la media ce estándar
- 17.13: Predecir la dirección del cambio espontáneo
- Es útil asociar el potencial de electrodo estándar con la media reacción escrita como una reducción, es decir, con los electrones escritos en el lado izquierdo de la ecuación. También establecemos la convención de que invertir la dirección de la media reacción invierte el signo algebraico de su potencial. Cuando se siguen estas convenciones, la reacción global y el potencial de celda completa se pueden obtener agregando la información de media celda correspondiente.
Miniaturas: Esquema de celda galvánica Zn-Cu. (CC BY-SA 3.0; Ohiostandard).