Q95031. Fundamentos y aplicaciones de la electroquímica

Departamento académico:Química
Unidades:3 0 8
Requisito:
Semestre y carrera:
Equivalencia:No tiene

Objetivo general de la materia:Estudiar los conceptos de la termodinámica electroquímica y cinética electroquímica involucrados en los procesos de electrólisis, la construcción de celdas galvánicas, el funcionamiento de sensores, los fenómenos de corrosión, el transporte de iones a través de membranas biológicas, etc. y que son el fundamento del desarrollo y la aplicación de las técnicas electroanalíticas modernas.
Temas y subtemas del curso:1. Introducción al curso
1.1 El desarrollo histórico de la electroquímica y su importancia actual y futura.
1.2 La electroquímica clásica y la moderna.
1.3 Las relaciones de la electroquímica con otras ciencias.
1.4 La electrodica y la electrónica, los electrodos como catalizadores.
1.5 La ciencia, la tecnología, la electroquímica y el tiempo.
2. El potencial electroquímico
2.1 El origen del potencial en los electrodos.
2.2 Termodinámica de las celdas electroquímicas.
2.3 Potenciales estandar y la medida del potencial de las celdas.
2.4 Electrodos: indicadores, de referencia y de iones selectivos.
2.5 Diferentes tipos de celdas galvánicas, baterías y celdas combustibles.
3. La interfase electrificada
3.1 El fenómeno de doble capa.
3.2 Propiedades de los coloides.
3.3 Fenómenos electrocinéticos.
3.4 Electroforesis y fenómenos relacionados.
3.5 La teoría de Debye y Hückel.
4. La conductancia electrolítica
4.1 La conductividad.
4.2 Las aplicaciones de la conductancia.
4.3 El fenómeno de difusión.
4.4 Las membranas y el potencial de unión líquida.
5. Voltametria y los sistemas reversibles.
5.1 Los límites de la corriente de difusión.
5.2 Las medidas experimentales de la corriente de difusión.
5.3 Aplicaciones electroanalíticas de la corriente de difusión.
6. Cinética electroquímica
6.1 Cinética de la transferencia de electrones.
6.2 Las curvas corriente -sobrepotencial.
6.3 Irreversibilidad voltamétrica.
6.4 Impedancia Faradica.
6.5 Los mecanismos en los procesos electródicos.
6.6 Reacciones que proceden con transferencia electrónica.
6.7 Reacciones catalíticas electroquímicas.
7. Electrólisis
7.1 Circuito de electrolización y tipos de electrodos.
7.2 Potencial: aplicado, descomposición, sobrevoltaje.
7.3 Aplicaciones analíticas de la electrólisis.
7.4 Aplicaciones en química de la electrólisis.
7.5 Aplicaciones industriales de la electrólisis.
8. Técnicas electroanalíticas
8.1 Potenciometría
8.2 Voltamperometría cíclica
8.3 Polarografía
8.4 Cronopotenciometría
8.5 Cronoamperometría
9. Corrosión
9.1 El fenómeno de la corrosión.
9.2 Diferentes tipos de corrosión.
9.3 Mecanismo electroquímico de la corrosión.
9.4 Las protecciones contra la corrosión.
Objetivos específicos de aprendizaje:1.1 Definir que es la electroquímica clásica.
1.2 Conocer la importancia del estudio de la electroquímica actual.
1.3 Explicar porque las propiedades de muchas sustancias depende de los sucesos que se producen en sus superficies.
1.4 Describir porque todas las superficies están electrificadas.
1.5 Conocer que el flujo de electrones se producen entre interfaces.
1.6 Diferenciar una reacción química de una electroquímica.
1.7 Conocer los sucesos que se produjeron en el avance de la electroquímica antes de 1950.
1.8 Explicar la nueva electroquímica a partir del año 1950.
1.9 Conocer la electroquímica moderna o cuántica a partir de 1960.
1.10 Explicar como se produce en disolución la transferencia de electrones a través de interfases.
1.11 Relacionar la electroquímica en otras ciencias.
1.12 Explicar las diferencias entre electróddica y electrónica.
1.13 Describir el uso de los electrodos como catalizadores.
1.14 Relacionar la mecánica cuántica con los sucesos que se producen en la superficie de los electrodos.
1.15 Relacionar a la electroquímica con otras ciencias y tecnologías en el mundo actual, con los problemas del medio ambiente del sistema tierra.
2.1 Explicar el origen de los potenciales de los electrodos.
2.2 Definir que es una celda galvánica o pila electroquímica.
2.3 Demostrar la ecuación del trabajo eléctrico y el cambio de la energía libre en las medias celdas galvánicas.
2.4 Conocer las convenciones de las celdas electroquímicas.
2.5 Definir la actividad y el coeficiente de actividad y el cálculo de las funciones termodínámicas en las celdas galvánicas.
2.6 Demostrar la obtención de la ecuación de Nernst y aplicarla al cálculo de potenciales de las medias celdas y de las celdas galvánicas.
2.7 Obtener la constante de equilibrio de diferentes tipos de reacciones redox, incluyendo las biológicas. Diagramas de Potencial-Energía libre.
2.8 Establecer los potenciales formales y los diagramas de Latimer.
2.9 Los diagramas Potencial-pH y los diagramas de Pourbaix.
2.10 Conocer como se mide el potencial de diferentes celdas galvánicas.
2.11 Establecer las diferencias entre los electrodos de referencia y los electrodos indicadores y describir a los más importantes.
2.12 Explicar como se contruyen los electrodos selectivos de membrana.
2.13 Explicar el funcionamiento de los electrodos selectivos de membrana.
2.14 Describir el uso de los potenciales de membrana en química analítica.
2.15 Conocer y describir el mecanismo de funcionamiento de las pilas de combustión.
2.16 Explicar el funcionamiento de las modernas pilas electroquímicas: reversibles e irreversibles.
3.1 Describir el fenómeno eléctrico de la doble capa.
3.2 Demostrar y solucionar la ecuación Poisson-Boltzmann.
3.3 Relacionar el potencial de la superficie con la densidad de carga de la superficie.
3.4 Explicar los diferentes tipos de doble capa.
3.5 Establecer las propiedades de los coloides.
3.6 Demostrar la estabilidad química de los coloides y el efecto del pH.
3.7 Explicar en que consisten los fenómenos electrocinéticos y que es el potencial Zeta.
3.8 Calcular el valor del potencial Zeta en la interfase agua-vidrio.
3.9 Describir que es la electroforesis y su importancia en química e investigación.
3.10 Describir el fenómeno de electroviscosidad y el potencial de sedimentación.
3.11 Conocer en que consisten los electrodos de doble capa y los fenómenos de electrocapilaridad.
3.12 Describir la capacitancia en el fenómeno de doble capa.
3.13 Deducir la ecuación de Debey & Hückel de las soluciones de electrolitos.
3.14 Aplicar la ecuación de D & H en el calculo del coeficiente de actividad iónica.
3.15 Conocer como se determina experimentalmente los coeficientes de actividad.
3.16 Conocer como participa la actividad de solvente en los equilibrios en solución y la energía libre asociada a la atmósfera iónica.
4.1 La conductividad en un circuito de una celda electroquímica.
4.2 Conocer como se calcula y determina experimentalmente la resistencia de las soluciones.
4.3 Explicar en que consiste la conductividad molar y la conductividad iónica.
4.4 Describir en que consiste el número de transferencia y la mobilidad iónica.
4.5 Explicar la ley del radio de Stokes y el tratamiento teórico de la conductividad.
4.6 Describir el efecto de la frecuencia sobre la fuerza del campo eléctrico.
4.7 Conocer las aplicaciones de la conductancia eléctrica.
4.8 Aplicar las propiedades de la conductancia eléctrica para medir la constante de disociación y al tipo de carga del electrolito, lo mismo que en las titulaciones conductométricas.
4.9 Explicar el fenómeno de difusión y establecer las leyes de Fick's.
4.10 Establecer las relaciones entre mobilidad y difusión.
4.11 Conocer las relaciones entre el potencial de membrana y la unión líquida.
4.12 Explicar en que consiste el equilibrio de membran de Donnan.
4.13 Describir el uso de los electrodos selectivos de membrana en química y su importancia futura.
5.1 Describir como se forma la corriente de difusión limitante.
5.2 Resolver como se obtiene la solución de la ecuación de difusión de Ilkovic.
5.3 Describir como contruiría las curvas corriente-potencial.
5.4 Calcular cual es el espesor de la capa de difusión y las curvas corriente-potencial.
5.5 Describir los métodos experimentales para medir y controlar el potencial.
5.6 Conocer el efecto de los solventes, los electrolitos de soporte, los electrodos indicadores y el diseño de celdas.
5.7 Describir las diferentes técnicas electroanalíticas de la relación corriente-voltaje.
5.8 Explicar en que consiste la polarografía y el uso del electrodo de gotas de mercurio, los efectos de adosorción y las máximas polarográficas.
5.9 Explicar y conocer los diferentes tipos de polarografía.
5.10 Aplicar la relación corriente-voltaje, para determinar potenciales estandar, estructuras electrónicas, constantes de estabilidad y otras aplicaciones analíticas.
6.1 Explicar en que consiste la cinética de la transferencia electrónica.
6.2 Determinar el coeficiente de transferencia y el efecto de la doble capa.
6.3 Construir las curvas corriente-sobrevoltaje.
6.4 Desarrollar la ecuación de Tafel y establecer la resistencia de transferencia de carga.
6.5 Explicar los mecanismos de reacción de multiples etapas.
6.6 Aplicar la cinética en los electrodos al desprendimiento de hidrógeno gaseoso.
6.7 Establecer la irreversibilidad de los electrodos en voltametría con la corriente en el estado estático y los electrodos de disco rotativo.
6.8 Establecer el potencial en etapas de la cronoamperometría, en ondas polarográficas irreversibles y en la voltametría cíclica.
6.9 Demostrar que es la impedancia farádica y sus componentes, la resistividad y la capacividad.
6.10 Calcular la impedancia farádica y aplicarla a la polarografía de corriente alterna, como también a la voltametría cíclica de corriente alterna.
6.11 Describir los mecanismos de los procesos en los electrodos y los procesos con múltiples electrones.
6.12 Describir ejemplos de reacciones químicas iniciadas por transferencia electrónica.
6.13 Explicar reacciones que procedan con transferencia electrónica, como en los casos de: voltametría de disco rotativo, polarografía, voltametría cíclica y en la cronopotenciometría de potencial en etapas.
6.14 Describir como se utiliza la cinética en los electrodos, para seguir: una reacción química en voltametría, polarografía, cronoamperometría, voltametría cíclica y en polarografía de corriente alterna.
6.15 Describir como se producen reacciones catalíticas sobre la superficie de los electrodos.
6.16 Explicar los mecanismos ECE y su aplicación a voltametría cíclica, de disco rotativo y en la cronopotenciometría.
7.1 Explicar en que consiste la electrólisis o celdas electrolíticas, y contruir un circuito de electrolización.
7.2 Definir que es el potencial de descomposición, potencial aplicado y sobrevoltaje.
7.3 Conocer la importancia del tipo de electrodo, densidad de corriente y de la composición de la solución sobre los sobrevoltajes en los electrodos.
7.4 Calcular los potenciales de descomposición para electrolitos de diferente composición.
7.5 Explicar la aplicación de la electrólisis en las electroseparaciones de iónes metálicos, sobre diferentes superficies no conductoras.
7.6 Describir las diferentes aplicaciones analíticas de la electrólisis.
7.7 Explicar el uso de la electrólisis en la electrosíntesis química y su importancia en el futuro en los nuevos procesos químicos.
7.8 Conocer y explicar diferentes procesos electroquímicos utilizados en la industria: electroplateados, anodizaciones, producción de aluminio, magnesio y otros procesos electrometalúrgicos.
7.9 Explicar como se produce electroquímicamente al HCI y NaOH, como también otras electrosíntesis inorgánicas.
7.10 Conocer electrosíntesis orgánicas de importancia industrial y sus aplicaciones en procesos industriales.
8.1 Describir las principales técnicas electroanalíticas modernas.
8.2 Conocer la instrumentación utilizada en las diferentes técnicas electroanalíticas.
8.3 Definir las condiciones experimentales y las limitaciones en el uso de la potenciometría.
8.4 Conocer y utilizar las aplicaciones de la potenciometría
8.5 Conocer las condiciones experimentales y las limitaciones en el uso de la voltamperometría cíclica.
8.6 Conocer y utilizar la ecuación de Butler-Volmer
8.7 Conocer las aplicaciones de la voltamperometría cíclica
8.8 Definir las condiciones experimentales y las limitaciones en el uso de la polarografía.
8.9 Conocer las aplicaciones de la polarografía.
8.10 Definir las condiciones experimentales y las limitaciones en el uso de la cronopotenciometría.
8.11 Conocer y aplicar la ecuación de Sand
8.12 Conocer las aplicaciones de la cronopotenciometría
8.13 Definir las condiciones experimentales y las limitaciones en el uso de la cronoamperometría.
8.14 Conocer y utilizar la ecuación de Cotrell
8.15 Conocer las aplicaciones de la cronoamperometría.
9.1 Definir que es la corrosión y su importancia económica en la conservación de los equipos industriales.
9.2 Explicar los principios de la corrosión electroquímica.
9.3 Definir y clasificar los diferentes tipos de corrosión.
9.4 Conocer la escala galvánica de la corrosión de metales.
9.5 Describir los diferentes métodos de control de la corrosión.
9.6 Conocer cuales son los materiales resistentes a la corrosión.
9.7 Describir el uso de los inhibidores de la corrosión y los diferentes tipos de inhibición.
9.8 Conocer los diferentes recubrimientos protectores que podemos recurrir para protegernos de la corrosión.
9.9 Describir cuales son los componentes de un buen recubrimiento.
9.10 Explicar que es un aglutinante y cuales son usados en los recubrimientos protectores.
9.11 Describir las etapas del proceso de recubrimientos para proteger un sistema de la corrosión.
9.12 Describir las propiedades de los diversos compuestos químicos y elementos que causan corrosión.
9.13 Explicar los diferentes pasos quese utilizan para reparar una superficie con corrosión y que detalles estructurales y de seguridad debemos establecer.
9.14 Explicar los cuidados que debemos tener en cuenta en la aplicación de los recubrimientos protectores.
9.15 Conocer cuales son los compuestos peligrosos utilizados en los recubrimientos protectores.
Metodología de enseñanza:ñanza
Tiempo estimado de cada tema:Cada tema tendrá una duración de 2 semanas.
Políticas de evaluacion sugeridas:Exámenes parciales 45%
Exámen final (3) 35%
* Monografías (4) 10%
Tareas (12) 10%

(*) Incluye presentaciones orales en clase.
Libro de texto1:Libro de Texto 1*
Rieger, Philip H.
Electrochemistry
Prentice Hall, Inc. New Jersey (1987)
Libro de texto2:Libro de Texto 2


Libro de texto3:Libro de Texto 3


Libro de consulta:Brockris, J. O'W. y A K.N. Reddy
Electroquímica moderna
Reverté, S.A. México, D.F. (1978).

Mantell, Ch. L.
Ingeniería Electroquímica
Reverté, S.A. Barcelona (1962).

Posadas, D.
Introducción a la Electroquímica,
O.E.A. Washington, D.C. (1980).

Bond, Allen y Faulkner L.R.
Electrochemical methods. Fundamentals and applications
John Wiley & Sons Inc., 2d Ed., New York (2001).

Vassos, Basil y Ewing, Galen
Electroquímica Analítica
Limusa, México (1998)
\0Material de apoyo:NO OBLIGATORIO


Perfil del Profesor:Doctorado en Electroquímica o Fisicoquími