Equilibrio Químico y Celdas Electroquímicas

Equilibrio Químico

Equilibrio Químico: Es un estado de un sistema químico que se alcanza a cada temperatura, para unos valores determinados de las concentraciones. Factores que afectan al equilibrio: todas pueden ser predecidas por el sistema de Le Chatelier: "si en un sistema en equilibrio se introduce una perturbación externa que altere el equilibrio, dicho sistema evolucionará en el sentido que tienda a contrarrestar la perturbación introducida". En la reacción N2O4 à 2 NO2; añadimos más cantidad de N2O4: si aumenta N, aumentará su concentración, por tanto el sistema evolucionará en el sentido en el que se consuma N2O4 à (hacia la derecha); disminuye el número de moles de N2O4 porque absorbemos una parte de los presentes: si disminuye N, disminuye la concentración, el sistema evolucionará en el sentido en que se produzca N2O4, es decir, hacia la izquierda à; añadimos más cantidad de NO2: al aumentar N (NO2), aumenta su concentración, evolución hacia la izquierda (igual explicación que a); se absorbe una cantidad de NO2: al disminuir los moles de NO2, baja su concentración, evolución hacia la derecha (igual explicación que b); aumento de la presión (o disminución del volumen): si aumenta la presión, el sistema evolucionará en el sentido en el que disminuye el número de partículas gaseosas, por tanto, hacia la izquierda à; descenso de la presión (o disminución del volumen): si disminuye la presión, el sistema evolucionará en el sentido en el que se produzca un mayor número de partículas gaseosas (para así aumentar la presión), evolucionará en el sentido derecha à; si para la reacción N2O4 à 2 NO2, ΔH = 57,3 kJ/mol, ¿cómo afecta un aumento de temperatura?: si aumenta la temperatura, el sistema evolucionará en el sentido del proceso endotérmico, es decir, hacia la derecha, así se consume el exceso de energía; si disminuye la temperatura, el sistema evolucionará en el sentido del proceso exotérmico, es decir, hacia la izquierda; si añadimos calor a volumen constante: no se perturba el equilibrio porque aunque la presión aumenta, las concentraciones de los participantes en la reacción permanecen igual que sus presiones parciales (equilibrio); si añadimos calor a presión constante: debido a que el número de partículas gaseosas aumenta para mantener la presión constante, se debe aumentar el volumen, si aumenta el volumen, disminuye la concentración de las sustancias reaccionantes, el sistema evolucionará en el sentido hacia la derecha à hasta que se alcance el equilibrio.

Catalizador

Se define como una sustancia que aumenta la velocidad de los procesos directo e inverso de un equilibrio químico en la misma proporción al disminuir el valor de la energía de activación.

Ácido-Base

Ácidos de débiles a fuertes: NH3, H2O, HCN, NH4+, CH3COOH, HCOOH, HNO2, HF, HSO4-, H3O+, HNO3, H2SO4, HCl, HBr, HI, HClO4; base conjugada de débil a fuerte: CO4-, I-, Br-, Cl-, HSO4-, NO3-, H2O.

Redox

Concepto tradicional: Oxidación: proceso en el que una sustancia se combina con oxígeno y hay ganancia de oxígeno. Reducción: proceso inverso, proceso por el que una sustancia pierde oxígeno. Concepto electrónico (actual): Oxidación: proceso en el que una especie pierde electrones / un átomo aumenta su número de oxidación. Reducción: proceso en el que una especie gana electrones / un átomo reduce su número de oxidación. Oxidante: toda especie química que toma electrones de otra (se reduce). Tiene facilidad para oxidar a otras especies. Reductor: toda especie química que cede electrones a otra (se oxida). Tiene facilidad para reducir otras especies. Especie reductora: nº de oxidación aumenta → se oxida. Especie oxidante: nº de oxidación disminuye → se reduce.

Celdas Electroquímicas

Celda electroquímica: dispositivo capaz de obtener energía eléctrica a partir de reacciones químicas o de producir reacciones químicas a partir de corrientes eléctricas. Celda galvánica o voltaica: dispositivo que obtiene energía eléctrica a partir de reacciones químicas redox espontáneas. Normalmente una celda está formada por dos semiceldas cuyos electrodos se unen mediante un cable y cuyas disoluciones están en contacto mediante un puente salino. Semicelda: estructura formada por un electrodo y un electrolito en el que se produce una reacción redox. Generalmente está formada por un electrodo metálico, M, sumergido en una disolución de sus iones, M^n+. Puente salino: tubo de vidrio en forma de U lleno de un gel de un electrolito que no influya en la reacción de la celda. Los extremos del tubo se tapan con discos porosos, lo que permite una libre difusión de iones, minimizando la mezcla de las disoluciones interior y exterior del puente. Electrolito (o electrólito): sustancia que contiene iones libres y que es conductora de la electricidad. Es habitual que sean iones en disolución, pero también puede ser una sustancia iónica fundida. Electrodo: conductor que se halla sumergido en una disolución acuosa de una de sus sales. Conductor que se utiliza para hacer contacto eléctrico con el electrolito. Ánodo: electrodo en el que se produce la oxidación. Cátodo: electrodo en el que se produce la reducción. Pila Daniell: El nombre de la pila es en honor a su inventor J.F. Daniell. Es la más sencilla de las celdas electroquímicas. Formada por dos semiceldas, un puente salino y un conductor que cierra el circuito. Ánodo (oxidación): Zn en disolución de ZnSO4. Semirreacción de oxidación: Zn → Zn2+ + 2e-. El metal del electrodo se oxida y pasa a la disolución. Cátodo (reducción): Cu en disolución de CuSO4. Semirreacción de reducción: Cu2+ + 2e- → Cu. Los iones de metal en disolución se reducen y se depositan en el electrodo. Puente salino: dispositivo que conecta ambas semiceldas y las mantiene eléctricamente neutras para que no acumulen carga que detendría sus reacciones (mantiene el contacto eléctrico entre las dos disoluciones evitando el contacto físico). Suelen ser un tubo de cristal que tienen un electrolito relativamente inerte (disolución de NaCl, KCl, KI o Na2SO4) que conduce la electricidad mediante el movimiento de iones. El puente salino impide la mezcla de los electrolitos de las semiceldas con algodón en los extremos del tubo. Mediante un hilo conductor externo se realiza la transferencia de electrones de un electrodo a otro, e intercalando un voltímetro en el circuito se mide la diferencia de potencial entre los dos electrodos.

Electrólisis

La electrólisis es un proceso opuesto a la pila galvánica: se aplica una tensión externa para forzar el paso de corriente a través de un electrolito y forzar así que se produzca una reacción que no es espontánea. Celdas electrolíticas: constituidas por un recipiente que contiene el sistema químico reaccionante o medio conductor (electrolito fundido). En él se sumergen los dos electrodos conectados a una fuente de corriente continua que suministra los electrones necesarios al cátodo para que tenga lugar una reacción dada. Electrolitos: sustancias que conducen la corriente eléctrica. Suelen ser compuestos iónicos fundidos o disueltos. El medio conductor suele ser el mismo para ambos electrodos, por lo que no es necesario un puente salino. Electrodos: los dos electrodos son de material conductor sólido. Se invierten los signos de tensión. Cátodo: se produce la reducción. Ánodo: tiene lugar la oxidación.

Leyes de Faraday

Primera ley: La masa de un elemento depositada en un electrodo es proporcional a la cantidad de electricidad que pasa a través de la disolución. Segunda ley: para una determinada carga intercambiada, la masa alterada/liberada/depositada en un electrodo (E) es directamente proporcional al peso equivalente del elemento.

Electrólisis en soluciones acuosas

En solución acuosa, los iones del grupo 1ª y Mg2+ no se reducen, en su lugar, al H2O lo hace produciendo hidrógeno molecular; en solución acuosa, los oxoaniones perclorato, permanganato, sulfato, nitrato y fosfato no se oxidan, en su lugar, el H2O lo hace produciendo dioxígeno; cuando la solución acuosa es muy diluida (menor a 0,1 M), no se considera la electrolisis del electrolito, solo la oxidación y reducción del H2O (electrolisis del H2O).