Práctica. Efectuar la electrólisis del agua con el aparato de Hoffman Marco de referencia. Los procesos electroquímicos tienen gran importancia en la industria automotriz, electrónica y radiocomunicaciones. Por ejemplo, acumuladores de plomo, pilas secas y celdas de combustión. La electroquímica ha contribuido en la producción de equipo para análisis de contaminantes y en investigación biomédica. La electroquímica estudia la conversión de la energía eléctrica en energía química en las celdas electrolíticas, y la conversión de la energía química en energía eléctrica en las pilas galvánicas o voltaicas. En una celda electrolítica se produce el proceso llamado electrólisis, en que la electricidad a través de una solución suministra energía suficiente para producir una reacción química de oxidación-reducción no espontánea. Una celda galvánica es una fuente de electricidad, que resulta de la reacción química espontánea de oxidación-reducción que ocurre en una solución. En las celdas de combustión, la energía producida se transforma en electricidad y tienen gran uso en cohetes espaciales. La conducción metálica es resultado del movimiento relativamente libre de sus electrones a través de toda la red cristalina. Se dice que una sustancia es conductora de la electricidad cuando permite que dentro de ella las cargas eléctricas se muevan de un punto a otro completando un circuito eléctrico. Un electrolito puede conducir la electricidad, sin embargo, no tiene electrones “libres” para conducirla. Entonces ¿Cómo conduce la electricidad un electrolito? Lo hacen a través de los iones que se producen al formarse una solución o fundir una sal. Para determinar si una solución es o no conductora de la electricidad se utiliza un circuito eléctrico con un foco (Aparato de conductividad). Cuando los dos electrodos están conectados a una fuente de electricidad se sumergen a una solución, el filamento se enciende con intensidad en un electrolito fuerte, con poca intensidad en un electrolito débil y no encenderá en un no-electrolito. Si la fuente de electricidad para los dos electrodos es una corriente directa, entonces cada ión en el líquido es atraído por el electrodo de carga opuesta. Por lo tanto, al aplicar un voltaje, los iones positivos emigran hacia el electrodo negativo y los iones de carga negativa emigran hacia el electrodo positivo. A este proceso se le llama conducción electrolítica. Cuando se ponen en contacto los iones de una solución con los electrodos se producen varias reacciones químicas. En el electrodo positivo (hay deficiencia de electrones) los iones negativos depositan electrones por lo que se oxidan. En el electrodo negativo (tiene exceso de electrones) los iones positivos ganan electrones y se reducen. Por lo tanto, durante la conducción electrolítica se produce una reacción química de oxidación en el electrodo positivo y una reacción química de reducción en el electrodo negativo. El electrolito continuará produciendo electricidad mientras ocurran reacciones de oxidación-reducción en los electrodos. Los electrones que son depositados durante la reacción química de oxidación son extraídos del electrodo por la fuente de voltaje y son transferidos al electrodo negativo. De esta manera, los electrones fluyen a través del alambre exterior y los iones fluyen a través de la solución. Tanto el movimiento iónico como las reacciones químicas en los electrodos, tienen que producirse de manera que se mantenga la neutralidad eléctrica. Esto significa que en cualquier parte de la solución, siempre que un ión negativo se aleje, también un ión positivo tiene que salir, o inmediatamente otro ión negativo tiene que tomar su lugar. Así, en cualquier región de la solución está eléctricamente neutra en todo momento. Durante las reacciones químicas en los electrodos, se asegura la neutralidad eléctrica al haber igual número de electrones depositados y recobrados. Por ejemplo, siempre que se deposita un electrón en el electrodo positivo, simultáneamente se recobra un electrón en el electrodo negativo. La reacción química de reducción siempre ocurre en el cátodo (electrodo negativo) y la oxidación siempre ocurre en el ánodo (electrodo positivo). La electrólisis es un proceso electroquímico que consiste en romper los enlaces entre los elementos químicos de un compuesto mediante la electricidad para obtenerlos como productos de reacciones químicas que ocurren en los electrodos; con el auxilio de un electrolito. El naturalista, físico y químico inglés Michael Faraday (22-IX-1791-25-VIII-1867) describió cuantitativamente la relación que hay entre la cantidad de corriente empleada y la magnitud del cambio químico que ocurre en cada electrodo durante la electrólisis. El proceso de la electrólisis depende del número de moles de electrones perdidos y ganados, respectivamente en las reacciones de oxidación-reducción. Leyes de Faraday del proceso de la electrólisis. Establecen relaciones cuantitativas entre la cantidad de corriente eléctrica que pasa a través de una solución iónica y la cantidad del cambio químico que produce. 1. La cantidad de cualquier sustancia liberada o depositada en un electrodo es directamente proporcional a la cantidad de electricidad (C) que pasa a través del electrolito. 2. Las masas de diferentes sustancias liberadas o depositadas en cada electrodo por la misma cantidad de electricidad, son directamente proporcionales a los pesos equivalentes de las sustancias. En la electrólisis se produce una reacción química de oxidación en el ánodo que proporciona los electrones que salen de éste hacia el cátodo, mientras que en el cátodo se produce una reacción química de reducción para eliminar los electrones que fluyen hacia él del ánodo. Los electrones se descargan a la misma velocidad con la que se producen en el ánodo. El número de equivalentes-gramo de reacción en el electrodo es proporcional a la carga transportada y tiene que ser igual al número de moles de electrones transportados en el circuito eléctrico. La electrólisis del agua es un poco complicado debido al a capacidad que tiene tanto para oxidarse como para reducirse. Por lo tanto, en las soluciones acuosas se debe tener en cuenta la posible oxidación y reducción del solvente (óxido de hidrógeno) además de la posible oxidación y reducción del los iones del soluto. Ánodo (+). Reacción química de oxidación: 2H2O(l) O2(g) + 4H+(ac)) + 4e– . Cátodo (–). Reacción química de reducción: 2 H2O(l) + 2e– H2(g) + 2OH–(ac) En soluciones ácidas puede ocurrir la reducción del H +, de acuerdo a la ecuación química: 2H+ + 2e– H2(g). Aplicaciones de la electrólisis: Producción de sodio puro por la electrólisis del cloruro de sodio fundido. Producción comercial de metales como: aluminio, magnesio y cobre. Ley de Ohm. Intensidad de corriente eléctrica = Diferencia de potencial/Resistencia. Amperes = Volts/Ohms. Diferencia de potencial = (Corriente eléctrica)(Resistencia). V = IR. El ohm () es la unidad de resistencia eléctrica (R). Se puede expresar en función de la resistividad o resistencia específica mediante la ecuación: Resistencia = (Resistencia específica)(Longitud)/Área. Ohms = (R e)(cm)/(cm2). El volt (V) es la unidad de diferencia de potencial y se define como la fuerza electromotriz necesaria para que una corriente eléctrica de un ampere a través de una resistencia de un ohm. Problema. ¿Es posible realizar la descomposición de la molécula de agua? Objetivo. El alumno aprenderá a: - Realizar experimentalmente la electrólisis del agua mediante el uso del aparato de Hoffmann y un electrolito (sulfato de sodio 1M o hidróxido de sodio1M o ácido sulfúrico 0.1M). Material y sustancias. Aparato de Hoffmann, batería de 9 V o una fuente de energía con transformador de corriente alterna en corriente directa, un electrolito (sulfato de sodio 1M). Procedimiento. 1. Montar el aparato de Hoffmann y llenarlo con el electrolito (sulfato de sodio 1M). 2. Conectar la pila o batería o la fuente de poder. 3. Anotar las observaciones de lo que ocurre en cada electrodo y explica a qué se debe lo ocurrido. Contesta el cuestionario. 1. Define electrolito y escribe 2 ejemplos. 2. Define electrolito débil y electrolito fuerte. 3. Escribe las características del electrodo positivo y del electrodo negativo. 4. Define electrólisis e indica qué se requiere para realizarla. 5. Escribe la ecuación de la reacción química que ocurre en el ánodo. 6. Escribe la ecuación de la reacción química que ocurre en el cátodo. 7. Escribe el nombre de la reacción química que ocurre en el ánodo. 8. Escribe el nombre de la reacción química que ocurre en el cátodo. Bibliografía. - Brady James E. y Humiston Gerard E. (1988). Química Básica. Principios y estructuras. Editorial Limusa. México. - Garzón G. Guillermo. (1986). Fundamentos de Química General. Segunda edición. Con manual de laboratorio. McGraw-Hill de México. México. Elaboró: Ramón Tamayo Ortega. Septiembre de 2012.