Termo Met Extrac 6 Celdas Elect
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ELECTROQUIMICA
1. Introducción.
Dado que la electroquímica se basa en los procesos redox, es conveniente revisar algunos de los conceptos
redox básicos.
La reacción entre el magnesio metálico y el ácido clorhídrico es un ejemplo de una reacción redox:
0 1 2 0
Mg (s) 2 H Cl (ac) Mg Cl 2 (ac) H 2(g)
Los números escritos en la parte superior de los elementos son sus números de oxidación. La pérdida de
electrones que ocurre durante la oxidación se observa por un incremento en el número de oxidación de un
elemento en una reacción. En la reducción, existe una ganancia de electrones, indicada por una
disminución en el número de oxidación de un elemento en una reacción. En la reacción anterior, el metal
Mg es oxidado y los iones H+ son reducidos.
La oxidación y la reducción ocurren simultáneamente. No puede ocurrir una sin la otra; cada electrón
perdido por una de las especies es ganado por otra especie. Al estudiar una reacción redox, a menudo se
piensa en ella como el producto de dos reacciones independientes, llamadas semirreacciones, una
representando el proceso de oxidación y la otra el proceso de reducción. Para la reacción
Zn (s) Cu 2 (ac) Zn 2 (ac) Cu (s)
Si se divide esta ecuación en dos semirreacciones, entonces se tiene:
Zn (s) Zn 2 (ac) 2 e -
Cu 2 (ac) 2 e - Cu (s)
Cuando un átomo de Zn dentro del metal se oxida, dona dos electrones al ion Cu2+, que se reduce. La
suma de estas dos semirreacciones da la reacción global.
2. Celdas galvánicas.
En condiciones normales una reacción redox ocurre cuando el agente oxidante está en contacto con el
agente reductor, como en la reacción entre el Zn y el Cu2+ descrita en la sección anterior. Los electrones se
trasfieren directamente en la disolución desde el agente reductor hasta el agente oxidante. Si se pudiese
separar físicamente el agente oxidante del agente reductor, sería posible que la transferencia de electrones
se diera a través de un medio conductor externo, en lugar de que se diera en forma directa en la disolución.
Así, al progresar la reacción, se produciría un flujo constante de electrones y por lo tanto se generaría
electricidad (esto es, se produciría trabajo eléctrico).
El dispositivo experimental para generar electricidad a través del uso de una reacción redox se llama
celda electroquímica. La figura1 muestra los componentes esenciales de una celda galvánica, también
llamada celda voltaica, en la cual la electricidad se produce por medio de una reacción redox espontánea.
Figura 1: Una celda galvánica. El puente salino (un tubo en U invertido) que contiene una disolución de KCl
proporciona un medio electrónicamente conductor entre dos disoluciones. Los orificios del tubo en U son cubiertas
en forma cuidadosa con algodón para evitar que la disolución de KCl se vacíe hacia los compartimientos de las
celdas mientras los aniones y los cationes viajan a través de él. Los electrones fluyen externamente del electrodo de
Zn (ánodo) al electrodo de Cu (cátodo).
2
Una barra de zinc metálico se introduce en una disolución de ZnSO4 y una barra de cobre metálico se
introduce en una disolución de CuSO4. La celda galvánica opera con el principio de que la oxidación de
Zn a Zn2+ y la reducción de Cu2+ a Cu pueden llevarse a cabo simultáneamente, en forma separada, con la
transferencia de electrones a través del conductor externo. La barra de zinc y la barra de cobre se llaman
electrodos. Por definición, el electrodo en el cual ocurre la oxidación se llama ánodo; el electrodo en el
cual ocurre la reducción se llama cátodo.
Para este sistema, las reacciones de oxidación y reducción en los electrodos, que se llaman
reacciones de semicelda son:
Electrodo de Zn (ánodo): Zn(s) → Zn2+(ac) + 2e-
Electrodo de Cu (cátodo): Cu2+(ac) + 2e → Cu(s)
Obsérvese que los iones Cu2+ reaccionarán directamente con la barra de zinc
Cu2+(ac) + Zn(s) → Cu(s) + Zn2+(ac)
y no se obtendrá trabajo eléctrico útil a menos que las dos disoluciones estén separadas.
Para completar el circuito eléctrico, las disoluciones deben conectarse a través de un medio
conductor en el cual puedan moverse los cationes y aniones. Este requisito se cumple con un puente salino
que, en su forma más simple, es un tubo en forma de U invertida que contiene un electrólito inerte como el
KCl o el NH4NO3, cuyos iones no deben reaccionar con los iones de la disolución o con los electrodos
(Fig. 1). Durante el curso de la reacción redox global, los electrones fluyen externamente desde el ánodo
(electrodo de Zn) a través del alambre y del voltímetro hacia el cátodo (electrodo de Cu). En la disolución,
los cationes (Zn2+, Cu2+ y K+) se mueven hacia el cátodo, mientras que los aniones (SO4-2 y Cl-) se
mueven en dirección opuesta hacia el ánodo.
El hecho de que los electrones fluyan de un electrodo al otro indica que existe una diferencia de
potencial entre los dos electrodos. Esta diferencia de potencial entre los electrodos, llamada fuerza
electromotriz, o fem (ξ)1*, puede medirse conectando un voltímetro entre los dos electrodos. La fem de una
celda galvánica se mide generalmente en volts, también se conoce como voltaje de la celda o potencial de
la celda. Después se verá que la fem de una celda no sólo depende de la naturaleza de los electrodos, sino
también de la concentración de los iones y de la temperatura a la que opera la celda.
La notación convencional para representar las celdas galvánicas es el diagrama de la celda. Para la
celda galvánica que acaba de describirse, utilizando KCI como electrólito en el puente salino y asumiendo
concentraciones 1 M, el diagrama de la celda es:
Zn(s)│Zn2+(ac, 1 M) │KCl(saturado) │Cu2+(ac, 1 M) │Cu(s)2*
donde las líneas verticales representan los límites de fase. Por ejemplo, el electrodo de zinc es un sólido, y
los iones Zn2+(del ZnSO4) están en disolución. Así, se traza una línea entre el Zn y el y Zn2+ para mostrar
el límite de las fases. Obsérvese que también existe una línea entre la disolución de ZnSO4 y la disolución
de KC1 en el puente salino, ya que estas dos disoluciones no están mezcladas y por lo tanto constituyen
dos fases separadas. Por convención, el ánodo se escribe primero a la izquierda y los demás componentes
aparecen en el orden en el que se les encontraría al moverse desde el ánodo hacia el cátodo.
3. Leyes electroquímicas.
Si se sumergen dos placas de carbón en una solución diluida de HCl y se conectan con una fuente de
corriente continua, (una batería por ejemplo), tendrá lugar una electrólisis. En la placa de carbón negativa
se desprende hidrógeno gaseoso; mientras que en la positiva se desprende cloro. Los gases se producen
únicamente en las placas de carbón. Si se electroliza una solución de AgNO3, se deposita Ag sobre el
cátodo (polo negativo) y en el ánodo se desprende oxígeno.
1*
La fem es una propiedad intensiva y por lo tanto es independiente del volumen de la disolución y del tamaño de los
electrodos.
2*
Zn/Zn2+ significa Zn → Zn2+ + 2e-.
3
3.1.Unidades electroquímicas.
Ley de FARADAY en 1834 Faraday encontró la relación entre la cantidad de electricidad gastada y el
cambio químico producido en la electrólisis. Se conocen como Leyes de la Electrólisis, las cuales son las
siguientes:
1. La. cantidad del cambio químico producido por una corriente eléctrica en cada electrodo es
directamente proporcional a la cantidad de electricidad que ha pasado por la celda; y;
2. Las cantidades de diferentes sustancias depositadas o disueltas por una misma cantidad de electricidad,
son directamente proporcionales a sus respectivos pesos equivalentes.
Las leyes anteriores son unas de las más exactas de la Fisicoquímica, pues no se les conoce
excepciones. Se ha encontrado que son válidas a temperaturas bajas y altas, a varias presiones, diferentes
solventes, en soluciones diluidas o concentradas y en las sajes fundidas.
Como la cantidad de electricidad en culombios es igual al producto de la intensidad de la corriente I
en amperios por el tiempo t en segundos que ha pasado la corriente, combinando las dos leyes resulta que
la masa m de material depositado o disuelto en cada electrodo será igual a lo siguiente:
It A
m
F n
donde A es el peso atómico de la sustancia y n su valencia, o lo que es lo mismo, la relación A/n representa
al peso equivalente de la sustancia.
En la ecuación anterior F es una constante de proporcionalidad cuyo significado se puede
comprender haciendo It = F entonces la cantidad m de la sustancia depositada o disuelta es igual al
equivalente químico. En otras palabras, F llamado el faraday, representa la cantidad de electricidad que se
debe pasar para depositar o disolver 1 equivalente-gramo de cualquier sustancia.
Un culombio absoluto de electricidad deposita 0.00111797 g de plata procedente de una solución
acuosa de nitrato de plata. Desde que el peso atómico de la plata es 107.868, la relación
107.868/0.00111797 = 96486 representa el número de culombios absolutos requeridos para depositar un
equivalente-gramo de plata o de cualquier otra sustancia. Esta cantidad usualmente se redondea a 96500 y
se llama 1 faraday de electricidad y representa la carga eléctrica de un equivalente-gramo de un ion.
En la electrólisis, un gasto de 96500 culombios de electricidad, produce en cada electrodo un
cambio químico de 1 equivalente-gramo. Por ejemplo, 1 faraday de electricidad liberará 1.00797 g de
hidrógeno y depositará de las soluciones 107 .868 g de plata, 63.546/2 g de cobre de las sales cúpricas y
196.967/3 g de oro de las sales áuricas.
De lo anterior resulta que se puede medir la cantidad de electricidad que pasa a través de un circuito,
mediante una celda electrolítica, determinando la masa de un elemento puro depositado en un electrodo.
El culombímetro de plata es el aparato tipo. Por un acuerdo internacional que rige desde el año 1948, los
4
diversos laboratorios nacionales de normalización están certificando las pilas y las resistencias en
función de voltios y ohmios absolutos, de modo que la intensidad de la corriente se mide en amperios
absolutos y la energía en julios absolutos. Antes se hacía en unidades eléctricas internacionales.
La carga del electrón es de 1.602 x l0-19 culombios absolutos de electricidad. De aquí, 96 486/1.602
x l0-19 = 6.023 x 1023 es el número de electrones en 1 faraday. O en otras palabras, 1 faraday de
electricidad está asociado con un número de Avogadro de partículas de carga unitaria, correspondiente a la
carga de un equivalente-gramo de sustancia, que serán electrones que les faltan si se trata de iones
positivos o de electrones que les sobra en el caso de iones negativos. Un faraday es un número de
Avogadro de electrones, de la misma manera que 1 mol es un número de Avogadro de moléculas.
Ejemplo: Una corriente de 0.200 amperios se hace pasar •a través de una solución acuosa de sulfato de
cobre, durante 20 minutos, utilizando electrodos inertes. Calcular los gramos de cobre depositados en el
cátodo.
g
0.2 amp x (20 x 60) seg x 63.5
It A at g
m 0.079 g
F n coulomb equiv g
96500 x2
equiv g at g
Ejemplo: Una corriente continua procedente de una batería y cuya diferencia de potencial es de 6.00
voltios, deposita 0.384 g de plata de una solución de nitrato de plata, en un tiempo de 30.0 minutos. Hallar
la energía en julios que ha suministrado la batería.
La cantidad de electricidad gastada es la siguiente:
0.384 g coulomb
x 96500 343 coulomb
g equiv g
107.9
equiv g
Luego, la energía suministrada por la batería es igual a: 343 culombios x 6.00 voltios = 2 060 joules
Segundo, sirve como un conductor eléctrico para el circuito externo. En condiciones de estado-
estándar (esto es, cuando la presión de H2 es 1 atm y la concentración de la disolución es 1 M) y a 25°C,
el potencial para la siguiente reducción se define con un valor exacto de cero:
2 H+(ac, 1 M) + 2 e- → H2(g, 1 atm) ξ = 0.0 V
o
Como siempre, el superíndice denota condiciones de estado estándar. Una reacción de reducción
en un electrodo cuyos solutos son 1 M y cuyos gases están a 1 atm, tiene un potencial que se llama
potencial estándar de reducción. Así, el potencial estándar de reducción del electrodo de hidrógeno es
cero. El electrodo mismo se conoce como el electrodo estándar de hidrógeno (EEH).
Se puede usar el EEH para medir los potenciales de otros electrodos. La figura 3(a) muestra una
celda galvánica con un electrodo de zinc y el EEH. Los experimentos muestran que el electrodo de zinc es
el ánodo y que el EEH es el cátodo. Se deduce esto porque la masa del electrodo de zinc disminuye
durante la operación de la celda, un hecho congruente con la pérdida de zinc hacia la disolución por la
reacción de oxidación:
Zn(s) → Zn2+(ac) + 2e-
El diagrama de la celda es:
Zn(s)│ Zn2+(ac, 1 M)│KCl(saturado)│H+(ac, 1 M)│H2(g, 1 atm) │Pt(s).
(a) (b)
Figura 3 a) Una celda que consta de un electrodo de Zn y de un electrodo de hidrógeno. b) Una celda que consta de
un electrodo de cobre y de un electrodo de hidrógeno. Ambas celdas operan en condiciones de estado estándar.
Obsérvese que en la figura a) el EEH actúa como cátodo, pero en la b) el EEH es el ánodo.
Cuando todos los reactivos están en su estado estándar (esto es, H2 a 1 atm, iones H+ y Zn2+ a 1 M), la fem
de la celda es 0.76 V. Es posible escribir las semi-reacciones de la celda como sigue:
Ánodo Zn(s) → Zn2+(ac, 1 M) + 2e- Zno / Zn 2
________________________________________________
Global Zn(s) + 2H+(ac, 1 M) → Zn2+(ac, 1 M) + H2(g, 1 atm)
donde Zno / Zn es el potencial estándar de oxidación para la semirreacción de oxidación:
2
celda
o
= oxid + reduc
o
2
o
2 2
(1)
6
donde los subíndices “ox” y “red” indican oxidación y reducción, respectivamente. Para la celda
galvánica anterior:
celda = Zn / Zn + H
o o o
2
2 / H2
0.76 V = Zno / Zn + 0 2
oxidación:
Zn2+(ac, 1 M) + 2e- → Zn(s) Zno 2
/ Zn
= -0.76 V
Este resultado corresponde al patrón general: cuando se invierte una reacción de semi- celda, o cambia
2
de signo.
Los potenciales estándar de electrodo del cobre pueden obtenerse de forma similar utilizando una
celda galvánica con un electrodo de cobre y el EEH [Fig. 3(b)]. Aquí se sabe que el electrodo de cobre es
el cátodo porque su masa se incrementa durante la operación de la celda, hecho congruente con la reacción
de reducción:
Cu2+(ac) + 2e- → Cu(s)
El diagrama de la celda es
Pt(s)│H2(g, 1 atm) │H+(ac, 1 M) │IKCl(saturado) │Cu2+(ac, 1 M) │Cu(s)
y las semirreacciones de la celda son
Ánodo: H2(g, 1 atm) → 2H+(ac, 1 M) + 2e-
Catodo: Cu2+(ac, 1 M) + 2e- → Cu(s)
________________________________________________
Global H2(g, 1 atm) + Cu2+(ac, 1M) → 2H+(ac, 1 M) Cu (s)
En condiciones de estado-estándar y a 25°C, la fem de la celda es 0.34 V; así puede escribirse:
celda = H Cuo
o o
2 /H
+ 2
/ Cu
2
0.34 V = 0 + Cuo 2
/ Cu
Entonces el potencial estándar de reducción del cobre es 0.34 V, y su potencial estándar de oxidación,
Cuo / Cu2 es -0.34 V.
Para la celda de la figura 1, se puede escribir ahora:
Ánodo: Zn(s) → Zn2+(ac, 1 M) + 2e- Zno / Zn 2
________________________________________________
Global Zn(s) + Cu2+(ac, 1M) → Zn2+(ac, 1 M) +Cu (s)
y la fem de la celda es: = 0.76 V + 0.34 V = 1.10V
Este ejemplo muestra cómo se puede usar el signo de la fem de la celda para predecir la
espontaneidad de una reacción redox. En condiciones de estado estándar para reactivos y productos, la-
reacción redox es espontánea en esa dirección (hacia la derecha) si la fem de la celda es positiva. Si es
negativa, la reacción es espontánea en la dirección opuesta. Es importante tener presente que un celda2
o
7
negativo no significa que una reacción no ocurrirá si los reactivos se mezclan en concentraciones 1 M.
Sólo significa que, cuando se alcanza el equilibrio de una reacción redox, estará desplazado hacia la
izquierda. Las relaciones entre celda2 , G° y K se estudiarán más adelante.
o
Por convención, se informan en la lista sólo potenciales estándar de reducción de las semirreacciones
(Tabla.1). Por definición, el EEH tiene un valor de celda2 de 0.00 V. Los potenciales estándar negativos
o
están arriba de él en la tabla y los potenciales estándar positivos están abajo de él en la misma. Es
importante entender los siguientes puntos acerca de la tabla:
Los valores de celda2 se aplican a semirreacciones que se leen de izquierda a derecha.
o
EJEMPLO 1: Predígase qué sucederá si el bromo molecular (Br2) se añade a una disolución que contenga
NaCl y NaI a 25°C. Supóngase que todas las especies están en su estado estándar.
Solución:
Para predecir cuál reacción redox se llevará a cabo, se deben comparar los potenciales estándar de
reducción para las siguientes semirreacciones:
9
- -
I2(s) + 2e → 2I (ac, 1 M) = 0.53 V
o
EJEMPLO 2: Una celda galvánica consta de un electrodo Mg en una disolución 1.0 M de Mg(NO3)2 y un
electrodo de Ag en una disolución 1.0 M de AgNO3. Calcúlese la fem estándar de esta celda
electroquímica a 25°C.
Solución:
La tabla 1 muestra los potenciales estándar de reducción de los dos electrodos:
Mg2+(ac, 1 M) + 2e- → Mg(s) o = -2.37 V
Ag+(ac, 1 M) + e- → Ag(s) o = 0.80 V
Se observa que la Ag+ oxidará al Mg:
Ánodo: Mg(s) → Mg2+(ac, 1 M) + 2e-
Cátodo: 2Ag+(ac, 1 M) + 2e → 2Ag(s) .
+ 2+
Global: Mg(s) + 2Ag (ac, 1 M) → Mg (ac, 1 M) + 2Ag(s)
Obsérvese que para poder balancear la ecuación total, se multiplicó la reducción Ag+ por 2.
Es posible hacer esto porque como una propiedad intensiva no se afecta por este procedimiento. Se
o
El signo negativo en el lado derecho indica que el trabajo eléctrico es hecho por el sistema sobre su
entorno. Ahora, ya que
G = wmáx
se obtiene G = - n F celda
o
(2)
Tanto n como F son cantidades positivas y G es negativa para un proceso espontáneo; por lo tanto
celda
o
es positivo. Para reacciones en las que los reactivos y los productos están en su estado estándar, la
ecuación (2) se convierte en
Go = - n F celda
o
(3)
RT
Despejando celda
o
ln K celda
o
(4)
nF
Cuando T = 298 K, la ecuación (4) puede simplificarse al sustituir los valores para R y F y al convertir el
logaritmo natural al logaritmo común (base 10):
2.303 (8.314 J / o K .mol )(298o K )
celda
o
log K
n (96500 J / V .mol )
0.0591 V
celda
o
log K (5)
n
De esta forma, si se conoce cualquiera de estas tres cantidades Go, K o celda
o
pueden calcularse las
otras dos. Se puede resumir la relación existente entre Go, K o celda
o
y caracterizar la espontaneidad de
una reacción redox de la siguiente forma:
11
Go K celda
o Reacciones en cond. de estado estándar
Negativo >1 Positivo Espontánea
0 =1 0 En equilibrio
Positivo <1 Negativo No espontánea, (la reacción espontánea es la inversa)
= -0.85 V + 0 = -0.85 V
(Se omite el subíndice “celda”, porque esta reacción no se lleva a cabo en una celda electroquímica). Ya
que es negativo, se concluye que el mercurio no se oxida por el ácido clorhídrico en condiciones de
o
estado estándar.
Entonces: o = Hg
o
/ Hg 2
+ NO
o
/ NO
= - 0.85 V + 0.96 V = 0.11 V
2 3
o = Au
o
3
/ Au
+ Ca
o
2
/ Ca
= -1.50 V - 2.87 V = -4.37 V
Ahora, ΔG° = - nF o
La reacción global muestra que n = 6, entonces:
ΔG° = -(6 mol) (96,500 J/V. mol)(-4.37 V)
= 2.53 x 106 J
= 2.53 x 103 kJ
El valor positivo y grande de ΔG° dice que la reacción no es espontánea en condiciones de estado estándar
a 25°C.
1.1V
0.0591 V Zn 2
2
log
Cu 2
Si el cociente [Zn2+]/[Cu2+] es menor que 1, log [Zn2+]/[Cu2+] es un número negativo, y el segundo
término en el extremo derecho de la ecuación anterior es positivo; en estas condiciones ε es mayor que la
fem estándar, ε°. Si el cociente es mayor que 1, ε es menor que ε°.
= 0 28 V + (-044 V) = -0.16 V
De la ecuación (7), puede escribirse:
0.0591 V Co 2
o
log
n Fe 2
0.16 V
0.0591 V
log
0.15
2 0.68
= -0 16 V + 0 019 V = -014 V
Ya que o es negativo (o ΔG es positivo) la reacción no es espontánea en la dirección descrita.
Es interesante determinar a qué relación de [Co2+] a {Fe2+] la reacción del ejemplo 6 se volverá
espontánea. Comenzando con la ecuación de Nernst escrita para 298 oK:
0.0591 V
o log Q
n
Haciendo el valor de igual a cero, ya que esto corresponde al equilibrio.
0 0.16V
0.0591 V Co 2
2
log
Fe 2
Co 5.4
2
log
Fe
2
Sacando antilogaritmos de ambos lados, se obtiene
Co 2 6
4 x 10 K
Fe 2
Así, para que la reacción sea espontánea, la relación [Co2+]/[Fe2+] debe ser menor a 4 x 10-6.
14
EJEMPLO 7: Considérese la celda galvánica que se muestra en la figura 3(a). En cierto experimento,
se encontró que la fem(ε) de la celda es de 0.54 Va 25°C. Supóngase que [Zn2+] = l.0 M y PH2 = 1.0 atm.
Calcúlese la concentración molar de H+.
Solución
La reacción global de la celda es
Zn(s) + 2H+(ac, ? M) → Zn2+(ac, 1 M) + H2(g, 1 atm)
La fem estándar para la celda es 0.76 V. De la ecuación (7), se escribe
o 0.0591 V
log
Zn 2 PH 2
n
H
2
0.54V 0.76V
0.0591 V
log
1.0 1.0
2
H
2
+ -4
Calculando [H ] = 2 x 10 M:
El ejemplo anterior muestra que una celda galvánica, cuya reacción implica a los iones H+, puede
utilizarse para medir la [H+] o el pH. El pH-metro está basado en este principio.
(a) (b)
Figura 4: Electrodo de calomel a) y el electrodo de vidrio b).
Otro electrodo que suele emplearse como estándar secundario es el electrodo de vidrio, ilustrado en
la figura 4(b). En su forma más sencilla consta de un tubo que termina en un bulbo de vidrio de pare
delgada; este vidrio es razonablemente permeable a los iones hidrógeno. El bulbo de vidrio contiene una
solución de ácido clorhídrico 0.1 M y un diminuto electrodo de plata-cloruro de plata. La teoría de
electrodo de vidrio es algo complicada, pero al insertar el bulbo a una solución ácido se comporta como un
electrodo de hidrógeno. Este tipo de electrodo es muy conveniente para efectuar determinaciones de pH.
Electrodos-ion selectivos
El electrodo de vidrio fue diseñado en 1906 por el biólogo alemán M. Cremer constituyó el prototipo de
diversos electrodos de membrana que se han desarrollado posteriormente. La importancia de los
electrodos de membrana es que algunos de ellos son muy selectivos para determinar los iones. Por
ejemplo, se han construido electrodos de membrana que son 104 veces más sensibles a los iones Na+ que a
los iones K+, y estos electrodos son de gran valor para el análisis químico. En la actualidad hay electrodos,
que son selectivos para más de 50 iones, y la mayoría de ellos son de membrana.
En la figura 5(a) se ilustra el principio del electrodo de membrana. La solución de la muestra está
separada de la solución interna por una membrana-ion selectiva, y el electrodo de referencia interna se
coloca dentro de la solución interna. Un electrodo de referencia externa, que puede ser de plata-cloruro de
plata, también se sumerge en la solución de la muestra y se mide la fem reversible de dicho montaje. El
electrodo de vidrio se ilustra en la figura 4(b), mientras que en las figuras 5(b)-(d) se muestran otros
montajes.
(a)
16
La teoría de los electrodos de membrana es bastante complicada y los detalles difieren para cada tipo de
electrodo. No es necesario que el ion hacia el cual el electrodo es sensible sea transportado en realidad a
través de la membrana. Lo que ocurre en la membrana es una combinación de un proceso de intercambio
iónico en la interfaz solución-membrana y el desplazamiento de diferentes cationes en la interfaz. No es
necesario que el ion que se vaya a medir tenga una movilidad especial o que el mismo ion esté presente en
la membrana. La descripción teórica completa del electrodo de membrana requiere tener en cuenta el
equilibrio Donnan que se establece el potencial de Nernst y las complicaciones que surgen por
desviaciones del equilibrio. Como participan tantos factores, el desarrollo de electrodos-ion selectivos se
efectúa necesariamente con bases de tipo empírico.
8. Electrolisis y polarización.
Cuando se emplea una celda electroquímica para convertir la energía química en eléctrica, se
obtendrá esta última clase de energía como consecuencia de la disminución de la energía libre asociada a
la reacción espontánea dentro de la celda. Bajo condiciones reversibles el trabajo eléctrico es igual al
decremento de energía libre. Sin embargo, si la celda opera irreversiblemente, la energía eléctrica
disponible para realizar trabajo es menor que la disminución de energía libre y la diferencia se disipa en
forma de calor.
Se deduce forzosamente que las reacciones que van acompañadas de un aumento de energía libre no
pueden utilizarse para hacer trabajo. Para hacer posibles tales reacciones debe proporcionarse energía a fin
de elevar el contenido de energía libre de los productos sobre el de los reactivos. Electroquímicamente
esta adición de energía va acompañada por el paso de electricidad bajo un potencial aplicado a la celda en
la cual se verifica la reacción particular. Por medio de la electrólisis tienen lugar cambios químicos en los
electrodos, y hay una acción química a expensas de la energía eléctrica.
De consideraciones termodinámicas podemos anticipar que la energía eléctrica mínima requerida
para realizar una reacción no espontánea deberá ser igual al incremento de energía libre que acompaña al
cambio; y este es igual a su vez, pero de signo contrario, a la variación de energía libre que acompaña el
proceso espontáneo inverso. Esto será cierto cuando la electrólisis se efectúa reversiblemente, es decir,
cuando los electrodos son totalmente reversibles y cuando sólo pasa a través de la celda una corriente muy
pequeña. Cuando no se satisfacen estas condiciones, la energía requerida será la mínima teórica más la
necesaria para sobrepasar la irreversibilidad. Esto significa que en presencia de cualquier irreversibilidad
el potencial aplicado para la electrólisis tiene que ser mayor que la fem reversible de la celda. Una celda
tal, que exija un sobre voltaje respecto al teórico, se encuentra polarizada. El exceso de potencial se llama
voltaje de polarización, mientras que el fenómeno en general se conoce con el nombre de polarización.
En este diagrama, A es la celda electrolítica que contiene el electrolito objeto de estudio, los dos
electrodos E y E’, y el agitador S. Conectados a estos electrodos por una resistencia variable, C,se
encuentra una fuente externa de fem., B, y un miliamperímetro, M,para la medición del paso de corriente
por el circuito. Mediante la resistencia variable C, es posible regular el voltaje aplicado a la celda y éste se
mide con un voltímetro V insertado entre los dos electrodos. Mediante un voltímetro de gran resistencia,
toda la corriente que señala el miliamperímetro se considera que pasa por la celda. De otra manera, la
lectura de este último aparato debe corregirse tomando en cuenta la corriente que circula por el mismo.
Esta última corriente está dada por la lectura del voltímetro dividida por la resistencia interna del
instrumento.
Para medir el voltaje de descomposición se toma una serie de lecturas de intensidad contra voltaje
por encima y debajo del potencial de descomposición. Al comienzo se coloca una resistencia
suficientemente elevada en C para proporcionar sólo un potencial pequeño. Después de leer el
miliamperímetro y el voltímetro, se disminuye la resistencia en C y se efectúan nuevas lecturas. Este
procedimiento continúa hasta que pasa una apreciable cantidad de corriente por el circuito y la electrólisis
procede libremente. Si graficamos las lecturas de corriente contra las de voltaje correspondientes,
obtenemos la figura 5. A lo largo de la rama AB, que se encuentra debajo del voltaje de descomposición,
19
la corriente que circula es muy pequeña. Pasado B, sin embargo, la curva asciende rápidamente y pronto
se observa la electrólisis en forma continua. Como la curva AB queda debajo del voltaje de
descomposición mientras que EC se encuentra encima del mismo, el voltaje de descomposición deberá
encontrarse en la intersección de las dos curvas. Para hallar este punto es práctica usual prolongar las
líneas AB y CE hasta su intersección D, y el voltaje en esta intersección εd se toma como el de
descomposición.
La aparición de corriente debajo del potencial de descomposición surge del hecho de que los
productos de electrólisis depositados sobre los electrodos tienden a difundirse lentamente en la solución.
Para compensar esta pérdida debe pasar una pequeña corriente por la celda a fin de regenerar el material
perdido. Como la difusión es continua, la corriente debe ser proporcionada también continuamente, y esto
explica la pequeña cantidad de corriente estacionaria observada debajo del potencial de descomposición.
En la columna 2 de la tabla 2 se dan los potenciales de descomposición obtenidos con electrodos de
platino en soluciones 1 N de diversos electrólitos’ a la temperatura ambiente. En cada caso se dan los
productos de electrólisis, así como los potenciales de descomposición reversibles para los distintos
electrólitos.
Por suma de los dos, el voltaje reversible de descomposición del nitrato de plata se deduce que es
Ag O2 0.78 0.82 0.04 V
Este simple ejemplo muestra que los potenciales de descomposición dependen de la concentración
del electrolito. Sin embargo, esto no es válido cuando el agua está electrolizada para dar hidrógeno y
oxígeno. En este último caso la reacción total de la celda está dada por la inversa de la ecuación (9), para
la cual la fem. se deduce que es
0.059 1
o log 2 2
2 a H aOH
0.059
0.403 log a H aOH
1
Pero, en una solución acuosa cualquiera el producto aH aOH es una constante igual a 1 x l0-14 a 25°C.
De aquí,
ε = -0.403 + 0.059 log (1 x 10-14)
= -0.403 - 0.826
= - 1.23 voltios
y éste deberá ser el potencial reversible de descomposición de una celda cualquiera en la cual el proceso
esencial es la electrólisis del agua. Además, este potencial resulta independiente de la concentración del
electrolito o su naturaleza. Esta deducción da cuenta del hecho de que los potenciales reversibles de
descomposición en la tabla 2 de todos los ácidos y bases que dan oxígeno e hidrógeno son iguales.
Presenta un interés particularmente grande el cálculo del potencial de descomposición que responde
a la liberación prácticamente completa del metal correspondiente en el cátodo. Como es sabido, una
separación se considera completa si la concentración del ion que se determina en la solución se reduce a
10-6 ion-g/L. Durante la electrólisis de CdSO4, la concentración indicada del ion Cd2+ es igual a:
0.059
Ec 0.40 log 10 6 0.57 V
2
Por otro lado, el potencial del par O2 + 4H+/2H2O durante la electrólisis varía de una manera tan
despreciable que este cambio se puede desestimar.
Esto se confirma por el cálculo siguiente. Dado que la solubilidad de oxígeno es escasa, la solución
en el ánodo está saturada de este elemento. Por consiguiente, la concentración de O 2 es constante y como
tal no entra en la ecuación de Nernst, lo mismo que la magnitud prácticamente constante de la
concentración de H2O. En consecuencia, la ecuación de Nernst para el par dado toma la forma siguiente:
E 1.23
0.059
4
4
log H 1.23 0.059 log H
Si la acidez inicial de la solución es igual a [H+] = l, y la concentración de la sal CdSO4, que se
electroliza, es igual a 0.1 M, durante la separación en el cátodo de 0.1 ion-g/l de Cd2+, en el ánodo se
forma una cantidad equivalente, o sea, 0.2 ion-gramo de H+. De este modo, la concentración de iones H+
aumenta de 1 a 1.2 ion-g/L. Teniéndolo en cuenta, obtendremos:
Ea 1.23 0.59 log 1.2 1.23 0.005 1.23V ;
así
Ed (1.23 0.40) (0.57 0) 2.2 V
El resultado obtenido muestra que la sedimentación completa de Cd2+ en el cátodo puede tener lugar
sólo a condición de que a los electrodos se aplique la diferencia de potencial de 2.20V, como mínimo. Del
mismo modo se puede calcular la tensión necesaria también para otras soluciones.
22
12. Significado de los potenciales de descomposición observados.
Con esta explicación del cálculo de los potenciales reversibles de descomposición, estamos en
condiciones de considerar el significado de los resultados experimentales dados en la tabla 2. Primero, una
comparación de los potenciales dados en las columnas 2 y 4 de la tabla para los electrólitos revelan que los
potenciales de descomposición no son muy diferentes de aquéllos calculados teóricamente. De lo cual se
concluye que los iones en estas sustancias, es decir, el hidrógeno, los metales, y los halógenos, se
depositan sobre los electrodos de platino bajo condiciones que se aproximan más o menos a la
reversibilidad. Más aún, como los metales y el hidrógeno se depositan reversiblemente sobre el platino,
esta discrepancia indica que la reversibilidad observada tiene lugar, principalmente en el desprendimiento
de oxígeno en las superficies de platino. En otras palabras, los electrodos de oxígeno, aun en las
superficies de platino, se encuentran polarizados apreciablemente. En el caso de los ácidos y bases el
grado de polarización, que por el momento pueden estar adscritos al oxígeno, asciende a unos 0.45 voltios.
Sin embargo, en la deposición de oxígeno de sus soluciones salinas la polarización es mayor y alcanza a
un voltio.
Otro punto interesante de la tabla 2 es que los ácidos y bases que dan oxígeno e hidrógeno tienen los
mismos potenciales de descomposición, es decir, aproximadamente - 1.7 voltios. Además, mientras que el
potencial de descomposición del ácido clorhídrico 1 N es - 1.31 voltios, ese valor aumenta con la dilución
del ácido, alcanzando eventualmente el valor de -1.7 voltios. De todo esto se concluye, que aunque en las
soluciones más concentradas los productos de la electrólisis son hidrógeno y cloro, en las soluciones
diluidas son hidrógeno y oxígeno. Entre estos casos extremos se desprenden tanto el cloro como el
oxígeno en el ánodo en proporciones variables, dando este electrodo un potencial intermedio entre el del
oxígeno y el del cloro.
Para hacer una medición se hace mover el agitador, se cierra el circuito y se ajusta la corriente a
través del circuito de electrólisis, como lo indica M, para cualquier valor que se desea por medio de la
resistencia variable C. Cuando la corriente ha llegado a un estado estacionario se mide la fem de E contra
un electrodo de referencia por medio de un potenciómetro, así como la intensidad por medio de M. Esta
última se reajusta entonces a otro valor, repitiéndose la operación total. De esta manera se obtiene una
serie de lecturas de las fem para diversos valores de la corriente que pasa a través de la celda. Al dividir la
intensidad de corriente en cada punto por el área del electrodo, se deduce la densidad de corriente,
mientras que la fem de E en cada etapa se obtiene al restar desde la fem el potencial del electrodo de
referencia. Finalmente para deducir el valor del sobrevoltaje debemos restar de los potenciales
electródicos observados el potencial reversible de E. Estas fem reversibles se pueden calcular o medir,
tomando el potencial de E contra un electrodo de referencia cuando no hay flujo de corriente por la celda.
En este último caso debe usarse un electrodo para el cual es reversible la reacción particular.
Estos datos obtenidos en el ácido sulfúrico 2 N, indican que el sobrevoltaje de hidrógeno es bajo
solamente con platino platinado, pues con superficies lisas de aquel metal es bajo con pequeñas
densidades de corriente, pero se incrementa gradualmente hasta alcanzar un valor límite con densidades de
corriente elevadas. Así sucede también con los cátodos de oro, grafito, teluro, y paladio. Sin embargo,
sobre las superficies de plata, mercurio, bismuto, cadmio, estaño, hierro, cinc, níquel y plomo, el
sobrevoltaje del hidrógeno es muy grande con densidades de corriente cero. Estos electrodos por esa
razón, no funcionan reversiblemente bajo ninguna condición, y no es posible depositar hidrógeno en ellos
en las proximidades de los potenciales reversibles. Otra característica de estos metales cuando existe un
sobrevoltaje de hidrógeno muy elevado, es que con densidades de corriente bajas presentan un rápido
incremento en sobretensión hasta alcanzar valores que permanecen esencialmente constantes a densidades
más elevadas.
La variación del sobrevoltaje de hidrógeno con la densidad de corriente a temperatura constante se
representa con frecuencia por medio de la ecuación
εo=a + b log I (12)
o
donde ε es el sobrevoltaje, I la densidad de corriente, y a y b son constantes. De acuerdo con esta
o
ecuación, la gráfica de ε contra el logaritmo decimal de I debe ser lineal. Esta relación se cumple muchas
veces, en un intervalo relativamente amplio de densidades de corriente. Además, muchos metales dan
aproximadamente una pendiente, b, que corresponde muy aproximadamente al valor de (2 x 2.303 RT)/F.
Un estudio del efecto de la temperatura en el sobrevoltaje muestra que la pendiente de las curvas de
o
ε – log I se incrementa linealmente con la temperatura absoluta de acuerdo con la relación
(2 x 2.303 R T )
o a log I (13)
F
El incremento de temperatura produce un decrecimiento en el sobrevoltaje del hidrógeno, aunque
como hemos visto, la pendiente de la curva de sobretensión-densidad de corriente es más pronunciada a
temperaturas más elevadas. Las mediciones del sobrevoltaje a diversas presiones, por encima y debajo de
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la presión atmosférica, indican que aquél varía poco con las presiones elevadas pero cuando éstas son
bajas, el sobrevoltaje se eleva agudamente en los cátodos de cobre, níquel y mercurio. La sobretensión se
ve influida también por la presencia de impurezas en las materiales catódicos.
Los datos disponibles enseñan que la composición y el pH de la solución ejercen poco efecto en el
sobrevoltaje del hidrógeno. Por otra parte, la naturaleza de la superficie catódica es de gran importancia.
En superficies brillantes y pulidas la sobretensión es invariablemente mayor que en las bastas, con
hoyuelos o grabadas. Esta diferencia se ilustra bien con la sobretensión del hidrógeno en el platino
platinado. Análogas diferencias, si bien no tan considerables se han observado en otros metales.
Tanto este proceso como la dirección de la corriente en el circuito son opuestos a los que surgen
bajo la influencia de la fem externa durante la electrólisis. Dado que en el curso de la electrólisis los
cationes se desplazan y dejan su carga sobre el electrodo, conectado al polo negativo de la fuente externa
de la corriente (con una fem. definida), de la que el electrodo recibe electrones, este electrodo se llama
cátodo; el segundo electrodo, en el que dejan sus cargas los aniones (se oxidan, es decir, le ceden
electrones), se denomina ánodo.
*
Bajo la acción de KCN,los iones Cu2+ se reducen primero a iones Cu+, que luego forman el complejo [Cu(CN)4]3-.
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potencial del par Cu(CN)3-4/CN-,Cu↓ se hace menor que el del par Cd(CN)3-4/CN-,,
Cd↓. De este modo,
el cobre en tales condiciones se comporta como un metal menos noble y se separa a una tensión más
elevada que en el caso de cadmio.
Del ejemplo examinado resulta evidente la importancia de la formación de complejos en la
separación electrolítica de metales.
0.58 0.34
0.059
2
log Cu 2
de donde
log Cu 2
0.34 0.58 2 3.17
0.059
Cu 10
2 31.7
ion g / L
Por consiguiente, la liberación de hidrógeno comenzará sólo después de la precipitación completa de los
iones Cu2+.
Si en lugar de una solución de CuSO4, se toma la solución de CdSO4, entonces, por cuanto el
potencial normal del par Cd2+/Cd↓ es negativo (E° = -0.40 V), a primera vista puede parecer que en la
electrólisis se debe liberar el hidrógeno. Mas es indispensable tener en cuenta la sobretensión del
hidrógeno en el cadmio, que constituye unos -0.7 V. Por eso, pese al potencial negativo del cadmio, su
separación de las soluciones ácidas es posible, lo que se comprueba experimentalmente.
De las soluciones ácidas se puede incluso separar el zinc (E° = -0,76 V) debido a la alta
sobretensión del hidrógeno en este metal (-0.75 V). Sin embargo, a una concentración apreciable de iones
H+, la separación de zinc no será completa. Al disminuir la concentración de ácido o, mejor todavía, al
sustituir un ácido fuerte por otro débil, la precipitación será más completa. Por ejemplo, se obtienen
buenos resultados durante la determinación de zinc en presencia de la solución reguladora de acetato
CH3COOH + CH3COONa, que crea en la solución un pH ~ 6, es decir, la concentración de iones H + del
orden de10-6 ion-g/L. En estas condiciones, el potencial de oxidación-reducción del par 2H+/H2 disminuye
hasta la magnitud de:
E = 0 + 0.0591og l0-6 ~ -0.35V
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