* INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ACAPULCO* Materia: Química UNIDAD 4: Reacciones químicas Integrantes del equipo: 1.- Alatorre Román Alicia Irene 2.- Camacho Martínez Pedro 3.-Campos Mendoza Simón 4.-Montoya Cabrera Alejandro 5.-Torres Hoyos Francisco Javier Aula: 603 Horario: 15:00-17:00 pm (Lunes-Martes) Especialidad: I.S.C. Profesor: José Odín Méndez Ríos INDICE UNIDAD 4 : REACCIONES QUIMICAS Tema Página 4.1 Combinación. 4.2 Descomposición. 4.3 Sustitución (Simple y Doble) 4.4 Neutralización. 4.5 Óxido-Reducción. 4.6 Aplicaciones 4.7 Cálculos estequiométricos con reacciones químicas 4.7.1 Reacción óxido reducción en electroquímica 4.7.2 Fuerza electromotriz (fem) en una celda electroquímica 4.7.3 Calculo de la fem y potenciales de óxido reducción 4.7.4 Electro depósito cálculo de electro depósito 4.7.5 Aplicaciones de electroquímica en electrónica[. 4.7.6 nano química propiedades fisicoquímicas no convencionales de polímeros Catenanos y Rotaxanos 4.1 COMBINACIÓN QUÍMICA Leyes de las combinaciones químicas Ley de Lavoisier o En todas las reacciones químicas se cumple que la suma de las de conservación de masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los la masa productos. - Cuando dos o más elementos químicos se combinan para formar un determinado compuesto, lo hacen según una relación Ley de Proust o de constante entre sus masas. las proporciones - Cuando un determinado compuesto se separa en sus elementos, definidas las masas de éstos se encuentran en una relación constante que es independiente de cómo se haya separado el compuesto, de si se ha obtenido en el laboratorio o de su procedencia. Ley de Dalton o de Las cantidades de un mismo compuesto que se combinan con las proporciones una cantidad fija de otro para formar varios compuestos, están en múltiples una relación de números enteros sencillos 1:1:, 2:1, 1:3, 3:1, etc. (Gases). Los volúmenes de las sustancias que reaccionan y los Ley de Gay-Lussac volúmenes de las que se obtienen de la reacción están en una o de los volúmenes relación de números enteros sencillos, siempre y cuando la de combinación presión y la temperatura permanezcan constantes. En química, una mezcla es un sistema material formado por dos o más sustancias puras pero no combinadas químicamente. En una mezcla no ocurre una reacción química y cada uno de sus componentes mantiene su identidad y propiedades químicas. No obstante, algunas mezclas pueden ser reactivas, es decir, que sus componentes pueden reaccionar entre sí en determinadas condiciones ambientales, como una mezcla aire-combustible en un motor de combustión interna. Los componentes de una mezcla pueden separarse por medios físicos como destilación, disolución, separación magnética, flotación, filtración, decantación o centrifugación. Si después de mezclar algunas sustancias, éstas reaccionan químicamente, entonces no se pueden recuperar por medios físicos, pues se han formado compuestos nuevos. Aunque no hay cambios químicos, en una mezcla algunas propiedades físicas, como el punto de fusión, pueden diferir respecto a la de sus componentes. Las mezclas se clasifican en homogéneas y heterogéneas. Los componentes de una mezcla pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos. 4.2 DESCOMPOSICIÓN QUÍMICA La descomposición química es un proceso que experimentan algunos compuestos químicos en el que, de modo espontáneo o provocado por algún agente externo, a partir de una sustancia compuesta se originan dos o más sustancias de estructura química más simple. Es el proceso opuesto a la síntesis química. La ecuación química generalizada de una descomposición química es: AB → A + B , o bien, Reactivo → A + B + ... Un ejemplo específico es la electrólisis de agua que origina hidrógeno y oxígeno, ambos en estado gaseoso: 2 H2O (l) → 2 H2 (g) + O2 (g) La descomposición química es, con frecuencia, una reacción química no deseada, pues la estabilidad de un compuesto es siempre limitada cuando se le expone a condiciones ambientales extremas como el calor, la electricidad, las radiaciones, la humedad o ciertos compuestos químicos (ácidos, oxidantes, etc.). Los casos más frecuentes de descomposición son la descomposición térmica o termólisis y la electrólisis. La descomposición química total de un compuesto origina los elementos que lo constituyen. Una definición más amplia del término descomposición también incluye la separación de una fase en dos o más fases.1 PROCESOS DE DESCOMPOSICIÓN Salvo en los casos de moléculas muy pequeñas, el proceso de descomposición es, en general, muy complejo y no está bien definido. Es muy frecuente que una molécula pueda dividirse en un conjunto de fragmentos más pequeños, con diferentes modos de separación. Esta característica es utilizada en ciertas técnicas analíticas, sobre todo la espectrometría de masas, el gravimétrico tradicional y el análisis termo gravimétrico. Se somete a un compuesto a un proceso de descomposición y se analizan los fragmentos resultantes; tras su reconocimiento se puede inferir la estructura de la molécula inicial. Dentro de este tipo de complicados procesos de descomposición se encuentran los procesos de formación del suelo en los que se va disgregando y transformando la roca madre; la descomposición de restos biológicos (residuos de animales y plantas...) que convierten las complejas moléculas orgánicas en unidades más sencillas que pueden ser de nuevo asimiladas por los organismos vivos o los procesos que intervienen en la digestión en la cual los nutrientes se descomponen en sustancias más simples capaces de ser asimiladas por las células. COMPUESTOS INESTABLES Y DESCOMPOSICIÓN Los compuestos inestables, si son preparados, sufren una descomposición más o menos inmediata en la que se forman sustancias más simples. Un ejemplo de compuesto inestable es el ácido carbónico, que se descompone en dióxido de carbono y agua. Los compuestos inestables acumulan gran cantidad de energía química y, en ocasiones, son de interés por esta cuestión. Para que puedan tener cierta utilidad práctica, se debe encontrar una forma adecuada de conferirles la suficiente estabilidad química necesaria para su manejo. Es el caso de la nitroglicerina, un explosivo líquido altamente inestable que detona con un simple movimiento brusco. Si se impregna dicho líquido en un material poroso como la tierra de diatomeas, el material resultante, la dinamita, es un sólido de mayor estabilidad que requiere un iniciador para desarrollar una explosión. La velocidad de descomposición de los compuestos inestables es muy variable y depende de la naturaleza del compuesto y de las condiciones del medio. Muchos de ellos pueden existir durante períodos largos, pero la presencia de ciertas sustancias que actúan como catalizadores, o de ciertos cambios ambientales (subida de temperatura, etc.) desencadena su descomposición. Como ejemplo, el ozono (O3) es una variedad alotrópica inestable del oxígeno (O2) que se forma en la estratosfera y se descompone en presencia de átomos de cloro. Esos átomos de cloro proceden de la descomposición de compuestos organoclorados como los clorofluorocarbonos(estables en condiciones normales pero que se descomponen en la alta atmósfera por la luz ultravioleta), siendo la causa de un grave problema ambiental, la destrucción de la capa de ozono. TIPOS DE DESCOMPOSICIÓN Y EJEMPLOS Hay tres tipos de reacciones de descomposición, dependiendo del agente causante de la misma: Térmica, producida por una temperatura elevada. Electrolítica, producida por la corriente eléctrica Catalítica, producida por la acción de un catalizador, que acelera una reacción que de otro modo sería muy lenta. Un ejemplo de descomposición espontánea es la del peróxido de hidrógeno, que poco a poco se descompone en agua y oxígeno: 2 H2O2 → 2 H2O + O2 Los carbonatos se descomponen cuando se calientan, siendo una excepción notable el ácido carbónico , H2CO3. El ácido carbónico, que produce la efervescencia de los refrescos, latas de bebida y otras bebidas carbonatadas, se descompone con el tiempo (espontáneamente) en dióxido de carbono y agua. H2CO3 → H2O + CO2 Otros carbonatos se descomponen cuando se calientan produciendo el correspondiente óxido de metal y dióxido de carbono. En la siguiente ecuación M representa un metal: MCO3 → MO + CO2 Un ejemplo concreto de esta descomposición es la del carbonato de calcio: CaCO3 → CaO + CO2 Los cloratos de metal también se descomponen cuando se calientan originando como productos un cloruro de metal y oxígeno. 2 MClO3 → 2 MCl + 3 O2 Un ejemplo de esta descomposición es la del clorato de potasio que transcurre como sigue: 2 KClO3 → 2 KCl + 3 O2 4.3 SUSTITUCIÓN SIMPLE Y DOBLE REACCIONES DE DESPLAZAMIENTO SIMPLE.- Este tipo de reacción se presenta cuando un elemento de un compuesto es desplazado por otro, formándose un elemento y un compuesto diferentes. El elemento que desplaza (metal o halógeno) debe de ser más activo que el desplazado. Desplazamiento AB+C Ejemplo: El bromo líquido, que desplaza al yodo en el yoduro de sodio para producir bromuro de sodio dejando al yodo libre. 2NaI + Br2-------------------2NaBr + I2 AC + B DOBLE DESPLAZAMIENTO O DOBLE DESCOMPOSICIÓN.- Se presenta cuando dos compuestos (reactivos) intercambian entre sí dos elementos o grupos de elementos, generándose dos compuestos diferentes. Doble descomposición AB + CD Ejemplo: La combinación del ácido clorhídrico con el hidróxido de sodio y el agua. (Neutralización) HCl + NaOH--------------NaCl + H2O AD + CB 4.4 NEUTRALIZACIÓN Una reacción de neutralización es una reacción entre un ácido y una base. Cuando en la reacción participan un ácido fuerte y una base fuerte se obtiene sal neutra y agua. Mientras que si una de las especies es de naturaleza débil se obtiene su respectiva especie conjugada y agua. Así pues, se puede decir que la neutralización es la combinación de cationes hidrógeno y deaniones hidróxido para formar moléculas de agua. Durante este proceso se forma una sal. Las reacciones de neutralización son generalmente exotérmicas, lo que significa que desprenden energía en forma de calor. Generalmente la siguiente reacción ocurre: ácido + base → sal haloidea + agua Este tipo de reacciones son especialmente útiles como técnicas de análisis cuantitativo. En este caso se puede usar una solución indicadora para conocer el punto en el que se ha alcanzado la neutralización completa. Algunos indicadores son la fenolftaleína (si los elementos a neutralizar son ácido clorhídrico e hidróxido de sodio), azul de safranina, el azul de metileno, etc. Existen también métodos electroquímicos para lograr este propósito como el uso de un pHmetro o la conductimétria. - Cuando la neutralización se produce entre una base fuerte y un ácido débil. El anión del ácido sufre una hidrólisis produciéndose iones hidróxido, por lo que el pH es > 7. - Cuando la neutralización se produce entre una base débil y un ácido débil. El anión del ácido sufre una hidrólisis al igual que el catión de la base, por lo que el pH es < 7 si es más débil la base y es >7 si es más débil el ácido. La elección del indicador adecuado para determinar el punto de equivalencia dependerá del pH final, que tiene que estar dentro del intervalo en el que el indicador sufre el cambio de color. Ejemplos: Hidróxido de sodio mas ácido carbónico que forma carbonato de sodio mas agua: Ácido nítrico mas hidróxido de aluminio que forma nitrato de aluminio mas agua: Neutralización En un matraz ponemos una disolución de ácido clorhídrico y añadimos unas gotas del indicador fenolftaleína. La fenolftaleína es un indicador que en medio ácido es incoloro, mientras que en medio básico adquiere un color rosa. En principio la disolución es ácida e incolora. Ahora colocamos en una bureta una disolución de hidróxido de sodio y la abrimos un poco. A medida que cae hidróxido de sodio, éste va reaccionando con el ácido clorhídrico para formar cloruro de sodio y agua, con lo que la concentración del ácido disminuye y el pH aumenta. Cuando se ha consumido todo el ácido, la siguiente gota de base que se añade vuelve a la disolución básica, y el indicador cambia al color rosa. En ese momento sabemos que todo el ácido ha sido neutralizado. 4.5 OXIDO-REDUCCIÓN Se denomina reacción de reducción-oxidación, de óxido-reducción o, simplemente, reacción redox, a toda reacción química en la que uno o más pares de electrones se transfieren entre los 1 reactivos, provocando un cambio en sus estados de oxidación. Para que exista una reacción de reducción-oxidación, en el sistema debe haber un elemento que ceda electrones, y otro que los acepte: 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. El agente oxidante es el elemento químico que tiende a captar esos electrones, quedando con 2 un estado de oxidación inferior al que tenía, es decir, siendo reducido. Cuando un elemento químico reductor cede electrones al medio, se convierte en un elemento oxidado, y la relación que guarda con su precursor queda establecida mediante lo que se llama un «par redox». Análogamente, se dice que, cuando un elemento químico capta electrones del medio, este se convierte en un elemento reducido, e igualmente forma un par redox con su precursor oxidado. 4.6 APLICACIONES Entre las aplicaciones de las reacciones químicas las vemos: para la obtención de anilina para la obtención de cerveza para la obtención de alcohol para la obtención de polimeros y plasticos para la obtención de acido acetil salicilico o aspirina para la obtención de amoxicilina Entre otras. 4.7 4.7 Cálculos estequiométricos con reacciones químicas La fabricación de productos químicos es uno de los esfuerzos industriales más grandes del mundo. Las industrias químicas son la base de cualquier sociedad industrial. Dependemos de ellas respecto a productos que utilizamos a diario como gasolina y lubricantes de la industria del petróleo; alimentos y medicinas de la industria alimentaria; telas y ropa de las industrias textiles. Estas son sólo unos cuantos ejemplos pero casi todo lo que compramos diariamente se fabrica mediante algún proceso químico o al menos incluye el uso de productos químicos. Por razones económicas los procesos químicos y la producción de sustancias químicas deben realizarse con el menor desperdicio posible, lo que se conoce como "optimización de procesos". Cuando se tiene una reacción química, el Químico se interesa en la cantidad de producto que puede formarse a partir de cantidades establecidas de reactivos. Esto también es importante en la mayoría de las aplicaciones de las reacciones, tanto en la investigación como en la industria. En una reacción química siempre se conserva la masa, de ahí que una cantidad específica de reactivos al reaccionar, formará productos cuya masa será igual a la de los reactivos. Al químico le interesa entonces la relación que guardan entre sí las masas de los reactivos y los productos individualmente. Los cálculos que comprenden estas relaciones de masa se conocen como cálculos estequiométricos. La estequiometría es el concepto usado para designar a la parte de la química que estudia las relaciones cuantitativas de las sustancias y sus reacciones. En su origen etimológico, se compone de dos raíces ,estequio que se refiere a las partes o elementos de los compuestos y metría, que dice sobre la medida de las masas. Cuando se expresa una reacción, la primera condición para los cálculos estequimétricos es que se encuentre balanceada, por ejemplo : Mg + O2 MgO 2 Mg + O2 2 MgO Reacción balanceada La reacción anterior se lee como : 2 ATG de Magnesio reaccionan con un mol de Oxígeno y producen 2 moles de Oxído de magnesio (reacción de síntesis) 2ATG Mg = 49 g 1 mol de O2 = 32 g 2 moles de MgO = 81 g 49 g 2Mg + + 32 g O2 = 81 g 2 MgO Lo que demuestra la ley de Lavoisiere " la materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma " , cuando reaccionan 49g más 32g y se producen 81 g . ¿Cómo se realizan los cálculos estequiométricos? ATG MOLES No. DE ATOMOS y No. DE MOLÉCULAS VOLUMEN MOLAR REACTIVOS O PRODUCTOS REACTIVO LIMITANTE ATG ¿Cuántos ATG se encuentran contenidos en 54 g de Al ? *Consultar la tabla periódica 1 ATG de Al ---- 27 g X ---- 54 g ATG X = (1) (54) / 27 X=2 ¿ 4.5 ATG de Pb a cuántos g equivalen ? 1 ATG de Pb ---- 207 g 4.5 ATG ---- X 1 X = 931.5 g X = (4.5) (207) / MOLES ¿Cuántos moles se encuentran contenidos en 120 g de H2O? 1 mol de H2O ---- 18 g X ---- 120 g = 6.6 moles X = (1) (120) / 18 X ¿ 0.6 moles, de NaNO2 a cuántos g equivalen ? 1 mol de NaNO2 ---- 69 g 0.6 moles = 41.4 g ---- X X = (0.6) (69) / 1 X No. DE ATOMOS Y No. DE MOLÉCULAS. 1 ATG de cualquier elemento contiene 6.023 X 10 23 átomos y 1 mol de cualquier compuesto tiene 6.023 X 10 23 moléculas. El número 6.023 X 10 23 es conocido como número de Avogadro (N) . ¿Cuántos átomos están contenidas en 15 ATG de Cobre? 1 ATG de Cu ---- 6.023 X 10 23 átomos 15 ATG ---- X X = (15) (6.023 X 10 23) / 1 10 24 átomos X = 9.023 X ¿ Cuántos átomos están contenidos en 230 g de Niquel ? Convertir g a ATG (230g = 3.93 ATG) 1 ATG de Ni ---- 6.023 X 10 23 átomos 3.93 ATG ---X X = (3.93) (6.023 X 10 23) / 1 10 24 átomos X = 2.36 X ¿Cuántas moléculas están contenidas en 0.25 moles de CO2 ? 1 mol de CO2 ---- 6.023 X 10 23 moléculas 0.25 moles ---- X X = (0.25) (6.023 X 10 23) / 1 10 23 moléculas X = 1.5 X ¿Cuántas moléculas están contenidas en 10 g de HCl ? Convertir g a moles (10g = 0.27 moles) 1 mol de HCl ---- 6.023 X 10 23 moléculas 0.27 moles ---X X = (0.27) (6.023 X 10 23) / 1 10 23 moléculas X = 1.6 X VOLUMEN MOLAR El volumen que ocupa 1 mol de cualquier gas en condiciones estándar ( 0° C y 1 atm de presión) es igual a 22.4 litros. ¿Qué volumen ocupan 0.75 moles de N2 en condiciones estándar ? 1 mol de N2 ---- 22.4 litros 0.75 moles ---- X X = (0.75) (22.4) / 1 X = 16.8 litros ¿ Qué volumen ocupan 100g de CO2 en condiciones estándar ? Convertir g a moles (100g = 2.27 moles) 1 mol de CO2 ---- 22.4 litros 2.27 moles ---- X X = (2.27) (22.4) / 1 X = 50.8 litros REACTIVOS O PRODUCTOS En una reacción química se puede calcular la cantidad de reactivos que se necesitan para generar una cantidad definida de productos, o la cantidad de productos que se forma con una cantidad definida de reactivo. Es necesario contar con una reacción balanceada y establecer la cantidad de ATG o moles que participan (teóricamente) en la reacción. ¿Cuántos g de Na se necesitan para preparar 12 g de sal (NaCl) ? Reacción: 2 Na + Cl2 2 NaCl 2 ATG de sodio = 46 g , 1 mol de cloro = 71g y 2 moles de cloruro de sodio = 117 g (la suma de los reactivos es igual al producto). Teórica 46 g 71 g 117 g 2 Na + Cl2 Real X 2 NaCl 12 g Se establece la relación teórico-Práctica, y se calcula la cantidad de sodio. Na NaCl 46 g ------ 117 g X ------ 12 g X = (46) (12) / 117 X = 4.7 g ¿Cuántos g de H2O se producen cuando reaccionan 28 g de Zn(OH) 2 ? Reacción: Zn(OH) 2 + H2S ZnS + 2 H2O 2 mol de hidróxido de zinc = 99.5 g reaccionan con 1 mol de ácido sulhídrico = 34 g y produce 1 mol de sulfuro de zinc = 97.5 g más 2 moles de agua = 36 g (la suma de los reactivos es igual al producto). Teórica 99.5 g 34 g 97.5 36 g Zn(OH) 2 + H2S Real 28 g ZnS + 2 H2O X Se establece la relación teórico-Práctica, y se calcula la cantidad de agua. Zn(OH) 2 H2O 99.5 g -------- 36 g 28 g -------- X X = (28) (36) /99.5 X = 10.1 g REACTIVO LIMITANTE Cuando se tiene una reacción donde participan dos reactivos, existe una relación teórica de la cantidad de ambos, por ejemplo si se agregan cantidades al azar de ambos reactivos, lo más probable es que uno de ellos se haya agregando en exceso y el otro reactivo se terminará en la reacción ( este último se conoce como reactivo limitante) .Los cálculos estequiométricos para determinar el reactivo en exceso y el reactivo limitante consiste en establecer dos condiciones, primero usando uno de los reactivos y después el otro, la condición que pueda llevarse a cabo se tomará de referencia. Por ejemplo : Calcular la cantidad de reactivos (que reaccionan) y el reactivo limitante, si se hacen reaccionar 250 g de sulfato cúprico con 80 g de fierro. Reacción: CuSO 4 + Fe FeSO 4 + Cu balanceada Reacción 1 mol de sulfato cúprico = 159.5 g reaccionan con 1 ATG de fierro = 56 g y produce 1 mol de sulfato ferroso = 152 g más 1 ATG de cobre = 63.5 g (la suma de los reactivos es igual al producto). A Teórica 159.5 g 56 g 152 g 63.5 g CuSO4 + Fe Real 250 g X Fe SO4 + Cu Se establece la condició A , y se calcula la cantidad de fierro. CuSO 4 Fe 159.5 g --------- 56 g 250 g --------- X X = (250) (56) /159.5 X = 87.7 g B Teórica 159.5 g 56 g 152 g 63.5 g CuSO4 + Real X Fe 80 g Fe SO4 + Cu Se establece la condición B , y se calcula la cantidad de sulfato cúprico. CuSO 4 Fe 159.5 g --------- 56 g X -------- 80 g X = (80) (159.5) /56 X = 227.8 g La pregunta es ¿Cuál de las dos condiciones se puede realizar, considerando los 250 g de sulfato y los 80 g de fierro ? La respuesta es "la condición B" , ya que pueden reaccionar 227.8 g de sulfato cúprico con 80 g de fierro, por lo que el reactivo limitante es el fierro y el reactivo en exceso es el sulfato (sobraran 22.2 g). 4.7.1 Reacción óxido reducción en electroquímica Las reacciones de reducción-oxidación son las reacciones de transferencia de electrones. Esta transferencia se produce entre un conjunto de elementos químicos, uno oxidante y uno reductor (una forma reducida y una forma oxidada respectivamente). En dichas reacciones la energía liberada de una reacción espontánea se convierte en electricidad o bien se puede aprovechar para inducir una reacción química no espontánea. 4.7.2 Fuerza electromotriz (fem) en una celda electroquímica Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre comente eléctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado. A. Circuito eléctrico abierto (sin carga o resistencia) Por tanto, no se establece la circulación de la corriente eléctrica desde la fuente de FEM (La batería en este caso). B. Circuito eléctrico cerrado, con una carga o resistencia acoplada, a través de la cual se establece la circulación de un flujo de corriente eléctrica desde el polo negativo hacia el polo positivo de la fuente de FEM o batería. Existen diferentes dispositivos capaces de suministrar energía eléctrica entre los que podemos citar: Pilas o Baterías. Son las fuentes de FEM más conocidas del gran público. Generan energía eléctrica por medios químicos. Las más comunes y corrientes son las de carbón -zinc y las alcalinas, que cuando se agotan no admiten recarga. Las hay también de níquel- cadmio (Ni Cd), de níquel e hidruro metálico (Ni-MH) y de ión de litio (Li-ion), recargables. En los automóviles se utilizan baterías de plomoácido, que emplean como electrodos placas de plomo y como electrolito ácido sulfúrico mezclado con agua destilada. Máquinas electromagnéticas. Generan energía eléctrica utilizando medios magnéticos y mecánicos, Es el caso de las dinamos y generadores pequeños utilizados en vehículos automotores, plantas eléctricas portátiles y otros usos diversos, así como los de gran tamaño empleados en las centrales hidráulicas, térmicas y atómicas, que suministran energía eléctrica a industrias y ciudades. ¿QUÉ ES LA FEM? Celdas fotovultaicas o fotoeléctricas. Llamadas también celdas solares, transforman en energía eléctrica la luz - natural del Sol o la de una fuente de luz artificial que incida sobre éstas. Su principal componente es el silicio (Si). Uno de los empleos más generalizados en todo el mundo de las celdas voltaicas es en el encendido automático de las luces del alumbrado público en las ciudades. También se utilizan en el suministro de pequeñas cantidades de energía eléctrica para satisfacer diferentes necesidades en zonas apartadas hasta donde no legan las redes del tendido de las grandes plantas generadoras. Las celdas fotovoltaicas se emplean también como fuente principal de abastecimiento de energía eléctrica en los satélites y módulos espaciales. Las hay desde el tamaño de una moneda hasta las del tamaño aproximado de un plato. Para obtener una tensión o voltaje más alto que el que proporciona una sola celda, se unen varias para formar un panel. Termopares. Se componen de dos alambres de diferentes metales unidos por uno de sus extremos. Cuando reciben calor en el punto donde se unen los dos alambres, se genera una pequeña tensión o voltaje en sus dos extremos libres. Entre algunas de las combinaciones de metales utilizadas para la fabricación de termopares podemos encontrar las siguientes: chromel-alumel (Ni Cr?-Ni Al?), hierro-constantán (Fe-Cu Ni?), chromel-constantán (Ni Cr-Cu Ni), cobreconstantán (Cu-Cu Ni). platino-rodio (Pt-Rh), etc. Los termopares se utilizan mucho como sensores en diferentes equipos destinados a medir, fundamentalmente, temperaturas muy altas, donde se hace imposible utilizar termómetros comunes no aptos para soportar temperaturas que alcanzan los miles de grado. Efecto Piezoeléctrico. Propiedad de algunos materiales como el cristal de cuarzo de generar una pequeña diferencia de potencial cuando se ejerce presión sobre ellos. Una de las aplicaciones prácticas de esa propiedad es captar el sonido grabado en los antiguos discos de vinilo por medio de una aguja de zafiro, que al deslizarse por los surcos del disco en movimiento convierten sus variaciones de vaivén en corriente eléctrica de audiofrecuencia de muy baja tensión o voltaje que se puede amplificar y oír a un nivel mucho más alto. Existe también un tipo de micrófono de cerámica, que igualmente convierte las variaciones de los sonidos que capta en corrientes de audiofrecuencia que pueden ser amplificadas, transmitidas o grabadas. El efecto piezoeléctrico del cristal de cuarzo, por ejemplo, tiene también una función inversa, que es la de vibrar cuando en lugar de presionarlo le aplicamos una pequeña tensión o voltaje. En este caso la frecuencia de la vibración dependerá del valor de la tensión aplicada y del área que tenga el cristal sobre el cual se aplica. El uso práctico más conocido de esta variante del efecto piezoeléctrico está en los relojes de cuarzo, fijar la frecuencia de trabajo del microprocesador en los ordenadores, fijar as frecuencias de transmisión de las estaciones de radio, etc. El valor de la fuerza electromotriz (FEM) o diferencia de potencial, coincide con la tensión o voltaje que se manifiesta en un circuito eléctrico abierto, es decir, cuando no tiene carga conectada y no existe, por tanto, circulación de corriente. La fuerza electromotriz se representa con la letra (E) y su unidad de medida es el volt (V). En algunos textos la tensión o voltaje puede aparecer representada también con la letra (U). Calculo Fem Y Potenciales De Oxido Reduccion Una de las celdas galvánicas más conocidas es la llamada celda Daniell. Consta de dos semiceldas separadas por un vidrio poroso o puente salino. En una de ellas se coloca un electrodo de cobre y una solución 1 molar de sulfato de cobre, mientras que en la otra se coloca un electrodo de zinc en una solución 1 molar de sulfato de zinc. Al unir los electrodos mediante un medidor potencial, se determina que la celda genera un potencial máximo de 1.1 volts, denominado fuerza electromotriz (fem). Este valor puede ser calculado con base en las reacciones químicas que tienen lugar en la celda y el potencial estándar asociado a estas reacciones. En este caso, los pares son Cu2+/Cu0 y Zn2+/Zn0. Un potencial más positivo indica una mayor tendencia de las especies a ganar electrones, esto es, a reducirse. En cambio, a medida que un potencial es más negativo (o menos positivo) se tiene una mayor tendencia a la oxidación, o sea a la pérdida de electrones. De acuerdo a lo anterior, se puede afirmar que las reacciones en la celda Daniell seran: Cu2+ + 2e- Cu0 Zn0 - 2e- Zn2+ La fem de una celda se calcula mediante la relación: fem = Potencial más positivo — Potencial más negativo, sin cambiar nunca los valores reportados en la tabla a menos que las condiciones de concentración, presión o temperatura sean diferentes a las estándar. 4.7.3 Calculo de la fem y potenciales de óxido reducción Una de las celdas galvánicas más conocidas es la llamada celda Daniell (figura 37). Consta de dos semiceldas separadas por un vidrio poroso o puente salino. En una de ellas se coloca un electrodo de cobre y una solución 1 molar de sulfato de cobre, mientras que en la otra se coloca un electrodo de zinc en una solución 1 molar de sulfato de zinc. Al unir los electrodos mediante un medidor potencial, se determina que la celda genera un potencial máximo de 1.1 volts, denominado fuerza electromotriz (fem). Este valor puede ser calculado con base en las reacciones químicas que tienen lugar en la celda y el potencial estándar asociado a estas reacciones. En este caso, los pares son Cu2+/Cu0 y Zn2+/Zn0. Un potencial más positivo indica una mayor tendencia de las especies a ganar electrones, esto es, a reducirse. En cambio, a medida que un potencial es más negativo (o menos positivo) se tiene una mayor tendencia a la oxidación, o sea a la pérdida de electrones. De acuerdo a lo anterior, se puede afirmar que las reacciones en la celda Daniell seran: Cu2+ + 2e- Cu0 Zn0 - 2e- Zn2+ La fem de una celda se calcula mediante la relación: fem = Potencial más positivo — Potencial más negativo, sin cambiar nunca los valores reportados en la tabla a menos que las condiciones de concentración, presión o temperatura sean diferentes a las estándar. 4.7.4 Electro depósito cálculo de electro depósito Electro deposito (calculo de electro deposito). La galvanoplastia es un proceso mediante el cual se recubre un objeto con un metal, gracias al paso de una corriente eléctrica por una celda electroquímica. Es un depósito de una capa metálica sobre un material no metálico. La galnostegia es un depósito de una capa metálica sobre un metal Los objetivos de este depósito es el de protección y decoración. Un electro depósito se puede obtener bajo las siguientes características: 1.- uniformidad de depósito 2.- brillo 3.- dureza 4.- rugosidad 5.- adherencia 6.- no adherencia 7.- quemado Para un buen depósito electrolítico es importante la limpieza. Las sustancias a eliminar son: 1.- óxidos y productos de corrosión 2.- sustancias orgánicas (grasas y aceites9. 3.- astillas metálicas 4.7.5 Aplicaciones de electroquímica en electrónica[. Como punto de partida para la realización del trabajo experimental, se ha rediseñado y actualizado un sistema automatizado para la medida de impedancias en celdas galvánicas, potenciando sus características iniciales. También se han desarrollado dos aplicaciones, una para el realizar la adquisición y control del sistema de medida y otra para analizar los datos experimentales en base al circuito equivalente de Randles. Debido a la gran influencia de la doble capa eléctrica en las reacciones electródicas, se ha investigado la estructura de la interfase Hg-disolución acuosa de percloratos (Li+, Na+, Mg2+ y Al3+), a partir de una magnitud termodinámica bien establecida, como son los excesos superficiales catiónicos de carga. Para ello, se han empleado como herramienta de cálculo tanto la teoría de Gouy-Chapman como UDCA (Unequal Distances of Closest Approach). La UDCA ha permitido tanto describir cuantitativamente los excesos superficiales de los percloratos y cloruros a valores de carga negativa sobre el metal, así como realizar una interpretación microscópica de la interfase a partir de las distancias de máxima aproximación y los radios hidratados de los iones. Estos percloratos se han empleado para analizar la influencia tanto de la concentración como la carga de los cationes del electrólito presentes en la interfase, en la reacción de reducción isotérmica (298 K) del Zn(II). Este estudio ha permitido describir el comportamiento de las constantes de velocidad y comprobar el efecto de los coeficientes de actividad individuales del Zn(II) en disolución, calculados empleando la teoría MSA (Mean Spherical Approximatión). Con objeto de ampliar el conocimiento de las reacciones electródicas, se ha analizado la influencia de la temperatura sobre las reacciones de reducción del Cr(III) y Zn(II) en medio Na Cl O 4? acuoso. Así, en el primer caso se ha verificado que la reacción transcurre por un mecanismo de esfera externa, mientras que en el segundo caso se ha estudiado el efecto de la doble capa eléctrica sobre la entalpía de activación y los coeficientes de transferencia del proceso. Por último y debido a la escasez de datos bibliográficos disponibles, se ha propuesto un método que permite estimar e interpolar coeficientes de actividad a distintas temperaturas para electrólitos de diversa estequiometría, utilizando la MSA. El procedimiento se muestra como una alternativa favorable al método de Pitzer debido al bajo número de parámetros empleados y a su clara significación fisica. Una aplicación industrial importante de la electrólisis es el horno eléctrico, que se utiliza para fabricar aluminio, magnesio y sodio. En este horno, se calienta una carga de sales metálicas hasta que se funde y se ioniza. A continuación, se obtiene el metal electrolíticamente. Los métodos electrolíticos se utilizan también para refinar el plomo, el estaño, el cobre, el oro y la plata. La ventaja de extraer o refinar metales por procesos electrolíticos es que el metal depositado es de gran pureza. La galvanotecnia, otra aplicación industrial electrolítica, se usa para depositar películas de metales preciosos en metales base. También se utiliza para depositar metales y aleaciones en piezas metálicas que precisen un recubrimiento resistente y duradero. La electroquímica ha avanzado recientemente desarrollando nuevas técnicas para colocar capas de material sobre los electrodos, aumentando así su eficacia y resistencia. Tras el descubrimiento de ciertos polímeros que conducen la electricidad, es posible fabricar electrodos de polímeros. Un área importante de la biofísica ha sido el estudio de la transmisión de información en forma de impulsos en las células nerviosas de los organismos. Cada información se transmite en la forma de fenómenos discretos, llamados potenciales de acción, y está determinada por la frecuencia a la que son transmitidos y por las conexiones que cada célula establece con sus vecinas. Por ejemplo, el biofísico británico Alan Lloyd Hodgkin y el físico Andrew Fielding Huxley estudiaron las células nerviosas del calamar, cuyo gran tamaño permite la colocación de varios electrodos directamente en el interior de las células. Mediante una acertada combinación de la electroquímica, la electrónica moderna y los modelos matemáticos, fueron capaces de demostrar que el potencial de acción estaba producido por cambios selectivos en la permeabilidad de la membrana celular al sodio y al potasio. Desde entonces, se ha aplicado esta técnica con leves modificaciones a otros tejidos excitables, y en la actualidad constituye la base de todos los intentos de comprender el funcionamiento del sistema nervioso. Para producir un flujo de corriente en cualquier circuito eléctrico es necesaria una fuente de fuerza electromotriz. Las fuentes disponibles son las siguientes: 1) máquinas electrostáticas, que se basan en el principio de inducir cargas eléctricas por medios mecánicos; 2) máquinas electromagnéticas, en las que se genera corriente desplazando mecánicamente un conductor a través de un campo o campos magnéticos; 3) células voltaicas, que producen una fuerza electromotriz a través de una acción electroquímica; 4) dispositivos que producen una fuerza electromotriz a través de la acción del calor; 5) dispositivos que generan una fuerza electromotriz por la acción de la luz; 6) dispositivos que producen una fuerza electromotriz a partir de una presión física, como los cristales piezoeléctricos. Los procesos electroquímicos de importancia comercial para la preparación de precursores de ciertos productos farmacéuticos y perfumes se conocen desde hace ya varios años, pero la producción de productos químicos en varios cientos de toneladas/año es bastante reciente. Una de las primeras plantas grandes fue construida en 1937 para la manufactura de sorbitol y manitol por reducción catódica de glucosa, pero en pocos años este proceso fue reemplazado por el de hidrogenación catalítica a elevada presión. Recién en 1964 una real preparación en gran escala fue puesta en funcionamiento en Nalco-tetraalquilplomo y al año siguiente Monsanto comenzó el suceso más grande de la historia de los procesos electroorgánicos industriales, la producción electrolítica de adiponitrilo. En plantas piloto o en escala semicomercial han sido investigados varios procesos electroorgánicos que cubren una amplia gama de tipos de reacciones: reducción de ácidos ftáticos a los correspondientes ácidos dihidroftálicos ; benceno a 1,4ciclohexadieno , naftaleno a dihidronaftaleno y el acoplamiento reductivo de acetona a 2,3-dimetil-2,3-butanodiol (pinacolona). Los procesos anódicos examinados al menos en plantas pilotos cubren entre otros: la oxidación de propileno a óxido de propileno, la síntesis de Kolbe de sebacato de dimetilo a partir de adipato de monometilo y la oxidación de 1,4-butinodiol a ácido acetileno dicarboxílico . 3M Company en Haastings, Minnesota ha practicado la fluoración electroquímica de compuestos orgánicos desde 1951. Más de 40 procesos electroquímicos han sido desarrollados por el Central Electrochemical Research Intitute (CECRI) en la India y muchos de ellos han sido comercializados en escala relativamente pequeña. Algunos de estos productos son: ácido p-amino benzoico, p-aminofenol, ácido p- nitrobenzoico, ácido succínico, alcohol bencílico, benzaldehido, aldehido salicílico, bencidina y sacarina. 4.7.6 nano química propiedades fisicoquímicas no convencionales de polímeros Catenanos y Rotaxanos Un campo de investigación reciente y muy interesante es el de las máquinas moleculares. Inspirándose en la mecánica biológica, muchos han buscado formar sistemas moleculares en movimiento para generar trabajo que promete tener muchas aplicaciones. De interés especial para estos propósitos son un tipo de moléculas llamadas catenanos y rotaxanos. Los catenanos son estructuras formadas por la interconexión de dos o más macrociclos para formar una especie de cadena, con cada macrociclo tomando el papel de un eslabón. Los rotaxanos son estructuras con una molécula en forma de mancuerna rodeada en el centro por un macrociclo. Los primeros catenanos y rotaxanos fueron sintetizados en la década de 1960, pero no fue sino hasta hace unos años que se empezaron a considerar estas estructuras como posibles fuentes de una aplicación importante. Al principio, la síntesis de este tipo de estructuras era muy difícil ya que se utilizaban únicamente fuerzas intermoleculares e interacciones ácido-base para dirigir la reacción. Sin embargo, en la actualidad ya no existen ese tipo de impedimentos ya que se han diseñado métodos de síntesis que incorporan metales de transición para dirigir la reacción. Uno de los metales más empleados para esto es el cobre en estado de oxidación (I). Las estrategias más comunes consisten en formar un complejo con fragmentos coordinantes acíclicos para luego cerrar los fragmentos mediante una reacción de sustitución u otro tipo de reacción. El centro metálico puede ser removido posteriormente formando una sal insoluble con otro ligante para obtener el catenano libre. La idea de producir motores moleculares con este tipo de estructuras proviene del estudio del mecanismo de la contracción muscular. En las células musculares existen arreglos en forma de fibras, con un filamento de miosina rodeado de filamentos de actina. El movimiento ocurre por deslizamiento de los filamentos impulsado por la hidrólisis del ATP. Haciendo una analogía con esta función biológica, se han preparado estructuras moleculares que presenten este tipo de movimiento. Uno de los sistemas más prometedores son los polipirroles que permiten doblar un polímero sólido en una dirección u otra dependiendo de la corriente eléctrica aplicada. Los rotoxanos se basan en el mecanismo de los sarcómeros del músculo, y el ciclo central no permite que la cadena en forma de mancuerna se deslice completamente fuera del sistema. Sin embargo un método químico interesante consiste en el intercambio de centros metálicos en un catenano. Para esto es importante que los ciclos tengan varios átomos donadores. Es posible intercambiar un ion metálico con un número de coordinación por otro con mayor número de coordinación (por ejemplo Cu(I) y Zn(II)). Esto produce un movimiento de estiramiento y contracción. La promesa de esta tecnología se ha manifestado en la industria de la computación. La naturaleza móvil tanto de los rotaxanos como de los catenanos hace que se comporten como interruptores moleculares, lo cual implica una amplia gama de aplicaciones tecnológicas. Se ha pensado en ocupar estas moléculas para producir chips muy pequeños, donde los rotaxanos actúen como transistores. También se están desarrollando aplicaciones en las que funcionen como sistemas de almacenamiento de información para producir computadoras moleculares. De igual forma pueden ocuparse como sensores moleculares. Este tipo de aplicaciones se han trabajado ampliamente en los últimos años y se ha hecho un gran avance, pero aún es muy temprano para asegurar su efectividad y si serán capaces de cumplir las expectativas que han generado.