Electroquimica

Electroquímica

Electroquímica es una rama de la química que estudia la transformación entre la energía eléctrica y la energía química.

Electrolisis

La electrólisis es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. En ella ocurre la captura de electrones por los cationes en el cátodo y la liberación de electrones por los aniones en el ánodo.

oxidacion

Se denomina reacción de reducción-oxidación, de óxido-reducción o, simplemente, reacción redox, a toda reacción química en la que uno o más electrones se transfieren entre los reactivos, provocando un cambio en sus estados de oxidación.

Reducción

El agente reductor es aquel elemento químico que suministra electrones de su estructura química al medio, aumentando su estado de oxidación, es decir, siendo oxidado.

Pila Daniell

La celda de Daniell, según la versión original, que empleaba un vaso poroso de cerámica para separar las dos disoluciones permitiendo el paso de aniones entre ellas.

La pila Daniell o celda de Daniell (a veces escrito como celda Daniel), también llamada celda de gravedad o celda de pata de gallo (llamada así por la forma del electrodo de zinc) fue inventada en 1836 por John Frederic Daniell, que era un químico británico y meteorólogo. Esta pila supuso una gran mejora sobre la pila voltaica que fue la primera celda galvánica desarrollada. La fuerza electromotriz, o voltaje o tensión teórica de esta pila es de 1,10 voltios, y la reacción química que tiene lugar es:

ecuacion

Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s). Eº=1,10 V

Proceso

Un químico británico llamado John Frederic Daniell buscó una manera de eliminar el problema de las burbujas de hidrógeno que aparecen en la pila voltaica, y su solución fue utilizar un segundo electrolito para consumir el hidrógeno producido por el primero. En 1836, inventó la pila Daniell, que consistía en una vasija de cobre llena de una disolución de sulfato de cobre, en el que se sumerge un recipiente de barro sin esmaltar lleno de ácido sulfúrico y un electrodo de zinc. La barrera de barro era porosa, lo que permitía a los iones pasar a través suya, pero impedía la mezcla de las dos disoluciones. Sin esta barrera, cuando no había corriente se comprobó que los iones de cobre (II) se derivaban hacia el ánodo de zinc y sufrían la reducción sin producir una corriente, destruyendo la vida de la batería.7

Con el tiempo, la acumulación de cobre podría bloquear los poros de la barrera de barro y acortar la vida de la batería. Sin embargo, la celda de Daniell proporcionan una corriente mayor y más fiable que la pila voltaica, debido al depósito de cobre electrolítico en el cátodo (un conductor) en lugar de hidrógeno (un aislante). También era más segura y menos corrosiva. Tenía una tensión de funcionamiento de alrededor de 1,1 voltios. Fue ampliamente utilizada en las redes de telégrafo, hasta que fue suplantada por la pila Leclanché a finales de la década de 1860.

Pila Daniel

Electrolisis del agua

La electrólisis del agua es la descomposición de agua (H2O) en los gases oxígeno (O2) e hidrógeno (H2) por medio de una corriente eléctrica a través del agua. Este proceso electrolítico se usa raramente en aplicaciones industriales debido a que el hidrógeno puede ser producido a menor costo por medio de combustibles fósiles.

Una fuente de energía eléctrica se conecta a dos electrodos, o dos platos (típicamente hechos de algún metal inerte como el platino o el acero inoxidable), como dos chinchetas, las cuales son puestos en el agua. En una celda propiamente diseñada, el hidrógeno aparecerá en el cátodo (el electrodo negativamente cargado, donde los electrones son bombeados al agua), y el oxígeno aparecerá en el ánodo (el electrodo positivamente cargado). El volumen de hidrógeno generado es el doble que el de oxígeno, y ambos son proporcionales al total de carga eléctrica que fue enviada por el agua. Sin embargo, en varias celdas las reacciones del lado competidor dominan, resultando en diferentes productos.

La electrolisis de agua pura requiere una gran cantidad de energía extra en forma de sobrepotencial para romper varias barreras de activación. Sin esa energía extra la electrólisis de agua pura ocurre muy lentamente si es que logra suceder. Esto es en parte debido a la limitada autoionización del agua. El agua pura tiene una conductividad eléctrica alrededor de una millonésima parte de la del agua de mar. Varias celdas electrolíticas pueden no tener los electrocatalizadores requeridos. La eficacia de la electrólisis aumenta con la adición de un electrolito (como la sal, un ácido o una base) y el uso de electrocatalizadores.

Dibujo de la electrolicis del agua

Origen y formación del aluminio

la producción de aluminio metálico por algún proceso electrolítico desde la reducción de alúmina con carbón, pero esta es sólo posible a altas temperaturas y la reacción inversa ocurre sobre el enfriamiento. 2

Por la química del aluminio, el medio electrolítico no puede ser agua; de hecho, casi toda la producción comercial del aluminio durante los últimos 90 años ha sido un medio de criolita fundida, Na3AlF6

Los pasos que siguen en la producción de aluminio metálico son:

• Se instala o se reemplaza el recubrimiento de la celda

• Se manufacturan los ánodos de carbono y se usan en la celda 3

• Se prepara el baño de criolita y se controla su composición

• Se disuelve la alúmina en el baño de criolita fundida

• La solución de aluminio en la criolita fundida es electrolizada para formar aluminio metálico, que sirve como cátodo.

• El electrodo de carbono es oxidado por el oxigeno liberado

• El aluminio fundido se extrae de las celdas, aleado (si se desea), fundido en lingotes y enfriado.

Las celdas electrolíticas son contenedores gigantes de acero en forma de caja. Dentro de cada uno hay un compartimiento catódico recubierto con una mezcla apisonada de brea y carbón de antracita o coque, cocida ahí mismo por el paso de la corriente eléctrica, o con bloques catódicos precocidos pegados unos con otros. Esta cavidad del compartimiento catódico puede tener entre 30 y 50 cm. De profundidad, y hasta 3 de ancho 9 de largo, dependiendo del tipo de celda y de la carga para la que fue diseñada. El espesor del recubrimiento de la cavidad varía entre 15 y 25 cm en los lados, y entre 26 y 46 en el fondo, El aislamiento térmico, que consiste en ladrillos refractarios, bloques de asbesto, u otros materiales semejantes, se coloca entre el recubrimiento de la cavidad y la celda de acero. En el área del fondo del recubrimiento de la cavidad se empotran unas barras grandes, de acero, que sirven como colectores de corriente catódica, y continúan hacia fuera a través de unas aberturas en la coraza para conectarse con la barra del cátodo. Los recubrimientos de las celdas duran entre 2 y 4 años. Cuando ocurre una falla, por lo general es el resultado de la penetración del metal hacia los colectores catódicos, a los que disuelve, o de la penetración de metal hacia fuera de la coraza de acero, donde se escapa alrededor de los colectores. Todo el recubrimiento, el aislamiento y el conjunto colector, se reemplazan entonces. El nuevo recubrimiento de la celda constituye una parte apreciable de los gastos de producción, e incluye no sólo el costo de mano de obra, los colectores, el recubrimiento y los materiales aislantes, sino también la pérdida de materiales del electrolito, absorbidos por el recubrimiento gastado.

En el proceso Hall-Heroult se utilizan dos tipos de celdas, las que tienen ánodos múltiples precocidos, y las de ánodos autococidos o ánodo Soderberg. 4. En ambos tipos, los ánodos están suspendidos en una superestructura que se extiende sobre la cavidad de la celda, y están conectados a una barra colectora ánodica móvil, de modo que se puede ajustar su posición vertical. Los bloques de ánodos precocidos se fabrican a partir de una mezcla de coque de petróleo de baja ceniza, calcinado, y al alquitrán o brea; se forman en prensas hidráulicas y se cuecen hasta 1100 oC.

Las celdas anódicas de Soderberg tienen un solo ánodo grande que ocupa la mayor parte de la cavidad de celda. El ánodo está encerrado en una caja de acero, abierta con lados verticales a través de los cuales se sumerge en el electrolito. Normalmente, la distancia ánodo- cátodo es de más o menos 5 cm. El electrolito fundido consiste principalmente en criolita (3NaF AlF3) además de algún exceso de AlF3 de 6 a 10 % en peso, de CaF2 y de 2 6 % de Al2O3.

El control de la composición del electrolito es una operación importante en el proceso de producción del aluminio. Ya que el punto de fusión de la criolita pura es de 1009 oC, el electrolito contiene espatoflúor (caf2) y algo de AlF3 en exceso y, junto con la alúmina disuelta, reduce la temperatura de fusión lo suficiente para permitir que las celdas se operen en el intervalo de 940 a 980 oC. El exceso de AlF3 mejora también la eficiencia de la celda. La relación en peso de NaF/AlF3 en la criolita es de 1.50; el exceso de AlF3 en el electrolito se ajusta para tener una relación NaF/AlF3 en el intervalo 1.10 a 1.40. en las primeras semanas después de que se ha puesto en operación una celda recién recubierta, el electrolito se absorbe rápidamente en el recubrimiento y en el aislante, con marcada absorción preferente de una porción con alto contenido de sodio, que tiende al reducir la relación NaF/AlF3 por debajo de lo deseado.

Esto

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