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Electroquímica en procesos biológicos y no biológicos

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Electroquímica en procesos biológicos y no biológicos

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Guamán Cañar Carolina Sthefanya
Guzman Gallo Fransisco Isaul
Hernández Almeida Mélany Estefanía
Hernández Quingaiza Shirley Samari
Iturralde Proaño Karoline Margarita

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La pila de hidrógeno es capaz de producir energía eléctrica limpia, con un índice de contaminación casi nulo.
En un motor de combustión interna se produce energía a través de una reacción química de combustión que libera calor, ese calor es energía térmica que debería transformarse en energía mecánica y luego en energía eléctrica, mientras que la pila de hidrógeno puede transformar directamente la energía química de reactantes en energía eléctrica, siendo más eficiente que un motor de combustión.

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Cabe aclarar que una pila convencional trae en su interior combustible y produce energía hasta que dicho combustible termina, a la pila de hidrógeno en cambio se le suministran los reactivos constantemente desde el exterior, como poner gasolina a un motor para transformar su combustión en energía.

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En una pila de hidrógeno se produce un flujo de electrones que circula a través de un circuito externo, la parte central es una membrana que cumple con dos funciones:
1. Separa el flujo de electrones de cada uno de los reactantes.
2. Contiene protones que ayudan a cerrar el circuito y que las reacciones tengan lugar.

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Lo que se busca en una pila es que exista un flujo de energía con los electrones de ambos reactivos (hidrógeno y oxígeno), como en las reacciones (2) y (3), se separan las reacciones de oxidación y reducción:

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Como en toda pila, tenemos dos electrodos, un ánodo que es donde se oxida el hidrógeno y un cátodo que es donde se reduce el oxígeno. La membrana impide que los electrones que gana el oxígeno y que los que pierde el hidrógeno reaccionen entre sí. Al conectarse los electrodos generamos un flujo de energía y dando como desechos agua y calor.

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La soldadura es denominada un proceso de fusión para la unión de metales. Se aplican dos leyes de Faraday.
Principio General de la Soldadura
1. Metal de base
2. Cordón de Soldadura y puntos.
3. Fuente de energía
4. Metal de aportación

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La soldadura consiste en caldear el material a unir y el de aporte hasta que se funde, y una vez unidas las piezas se dejan enfriar.
Existen diversos procesos de soldadura los que difieren en el modo en que se aplica el calor o la energía para las diferentes fuentes de energía pueden ser usadas para la soldadura, incluyendo una llama de gas, un arco eléctrico, un láser, un rayo de electrones, procesos de fricción, entre muchos otros.

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Indirecta, de aleación o heterogénea, soldadura blanda
Consiste en unir piezas por medio de una aleación metálica, fácilmente fundible (debajo punto de fusión) tal como el estaño, el plomo, etc.
Indirecta, de aleación o heterogénea, soldadura fuerte
Consiste en unir piezas mediante la fusión del metal, con un punto de ebullición elevado  Se puede efectuar sobre metales y aleaciones de elevado punto de fusión como son: el acero, la fundición y los bronces.
En esta soldadura se aplica también metal de aporte en estado líquido, pero este metal, por lo regular no ferroso, tiene su punto de fusión superior a los 430ºC y menor que la temperatura de fusión del metal base.

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Autógena o Directa, por fusión sin presión, con gas al soplete
Este proceso incluye a todas las soldaduras que emplean un gas combustible para generar la energía que es necesaria para fundir el material de aporte. Los combustibles más utilizados son el metano, acetileno y el hidrógeno, los que al combinarse con el oxígeno como comburente generan las soldaduras autógena y oxhídrica .
Se conoce como autógena porque con la combinación del combustible y el comburente se tiene autonomía para ser manejada en diferentes medios. El acetileno se produce al dejar caer terrones de carburo de calcio en agua, en donde el precipitado es cal apagada y los gases acetileno.

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Autógena o Directa, por fusión sin presión, al arco, con electrodo de grafito
No requiere aporte de material y prácticamente no lo admite a menos que sean varillas muy finas. No se trata de soldadura por arco eléctrico. Lo que funde el metal es la punta de grafito que en cortocircuito se pone al blanco brillante.
Lo que se caliente por la corriente es más que nada el grafito, no el metal, porque el primero tiene una resistencia mucho mayor y disipara la mayoría de la potencia.
Autógena o Directa, por fusión sin presión, al arco, con electrodo metálico
Su energía se obtiene por medio del calor producido por un arco electrónico que se forma entre la pieza y un electrodo.  La temperatura que se genera en este proceso es superior a los 5,500°C.
El nombre electrodo se le da por similitud con las piezas del mismo nombre que en la industria sirven para conducir corriente de polaridad distinta. Son varillas de unos pocos milímetros y de material distinto según los usos a dársele. El electrodo conectado al polo positivo de una maquina eléctrica se llama ánodo, y cátodo el que es alimentado por el negativo. En la actualidad se emplea un solo electrodo, sustituyendo al otro por la pieza a soldar.
El efecto luminoso se obtiene a consecuencia de la transformación de la energía eléctrica de la corriente en energía luminosa y de esta en energía térmica.
Autógena o Directa, por fusión sin presión, al arco, con arco sumergido (TIG)
El sistema de soldadura automática por Arco Sumergido permite la máxima velocidad de deposición de metal, entre los sistemas utilizados en la industria, para producción de piezas de acero de mediano y alto espesor.
Es una modificación de arco sumergido en donde se utiliza un fundente magnetizado por el campo eléctrico del electrodo de alambre originado por la corriente que fluye por el alambre.

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Autógena o Directa, por fusión y presión a tope por resistencia y a tope por Chisporroteo
Se hace pasar una corriente eléctrica de gran intensidad a través de los metales que se van a unir, como en la unión de los mismos la resistencia es mayor que en sus cuerpos se generará el aumento de temperatura, aprovechando esta energía y con un poco de presión se logra la unión.
Aunque la forma de realizar una soldadura a tope por resistencia es casi idéntica a la soldadura por chisporroteo, se diferencia en que esta utiliza menos intensidad.
Autógena o Directa, por fusión y presión por puntos
La soldadura de punto es el tipo más simple y más usada de la soldaduras de resistencia. Se conecta y desconecta la corriente por medios automáticos y semiautomáticos. Esto produce una pepita de metal unido con muy poca o ninguna fusión y sin que salte el material.

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La  soldadura por resaltes es un proceso similar al de puntos, sólo que en esta se producen varios puntos a la vez en cada ocasión que se genera el proceso. Los puntos están determinados por la posición de un conjunto de puntas que hacen contacto al mismo tiempo. Este tipo de soldadura se puede observar en la fabricación de malla lac.

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Autógena o Directa, por fusión y presión por costura
Consiste en el enlace continuo de dos piezas de lámina traslapadas. La unión se produce por el calentamiento obtenido por la resistencia al paso de la corriente y la presión constante.
Autógena o Directa, por fusión y presión por forja
Proceso de soldadura más antiguo. El proceso consiste en el calentamiento de las piezas a unir en una fragua hasta su estado plástico y posteriormente por medio de presión o golpeteo se logra la unión de las piezas.

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Autógena o Directa, Especiales

Soldadura por Fricción

La soldadura por fricción es un proceso de fase total de penetración sólida, el cual puede ser implementado en la unión de laminas de metal (hasta ahora principalmente para aluminio) sin llegar a su punto de fusión.

Soldadura por Arco de Plasma

La soldadura de arco de plasma (PAW), es un proceso muy similar al proceso de soldadura con gas protector, de hecho es una evolución de este método, el cual esta diseñado para incrementar la productividad.
El uso del gas es algo más complejo, dos flujos de gases separados trabajan cada uno cumpliendo un papel diferente. Las partes que componen el proceso básico tenemos: un gas que fluye envolviendo el electrodo de Tungsteno y, por consiguiente, formando el núcleo del arco de plasma y el escudo de gas que provee protección a la soldadura fundida.

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Soldadura por Rayo Láser

La soldadura por rayo láser es un proceso de soldadura por fusión que utiliza la energía aportada por un haz láser para fundir y re-cristalizar el material o los materiales a unir, obteniéndose la correspondiente unión entre los elementos involucrados.

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El hidrógeno es abundante en la naturaleza pero para usarlo como combustible lo ideal es extraerlo del agua a través de hidrólisis y esto resulta en un proceso muy costoso a gran escala de momento

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Conocimientos fundamentales
Regiones de la llama:

DARDO: zona de combustión (brillante)

REDUCTORA: zona de soldadura (azul)

PENACHO: zona de protección (rosada)

Tipos de llama:

NEUTRA: la más utilizada (aceros con bajo contenido en C)

REDUCTORA: temperatura más baja (fundiciones)

OXIDANTE: llama corta con temperaturas muy altas (latones)

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Electroquímica en el proceso de Soldadura

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Electroquímica en el proceso de Soldadura

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Las soldaduras con electrodos son realizadas tanto en corriente alterna como continua. En la alterna es posible la utilización de electrodos de diámetros mayores a los usuales, mientras que en la corriente continua es poco factible la soldadura de elementos gruesos, aunque produce un arco más estable y fácil de encender.

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El proceso en el que una corriente eléctrica fuerza una reacción química, se conoce como electrolisis.
La electrolisis es un proceso mediante el cual se logra la disociación de una sustancia llamada electrolito, en sus iones constituyentes (aniones y cationes), gracias a la administración de corriente eléctrica.
Parte de la energía eléctrica se convierte en una reacción química:

Entre un ánodo (+) y un cátodo   (-) una corriente continua está conectada en un electrolito fluído conductor.
Ciertas sustancias, (ácidos, hidróxidos, sales y algunos óxidos metálicos disueltos o fundidos) son conductores de electricidad al mismo tiempo que se descomponen al paso de la corriente eléctrica, a estas sustancias se les llama electrolitos.
La electrolisis constituye fundamentalmente un proceso de oxidación reducción que se desarrolla no espontáneamente es decir, un conjunto de transformaciones que implican un aumento de energía libre del sistema, y por ende, requiere para su realización el curso de una fuerza externa de energía.
Si la pieza de trabajo a procesar sirve como ánodo (+) y el pincel de limpieza cambia a menos (-), el material y las impurezas se eliminan con el electrolito correspondiente. Si se invierte la polaridad,  la pieza de trabajo se convierte en el cátodo, el material se puede aplicar , esto se conoce como galvanización (p. ej.: cobreado, cincado).

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Soldadura por arco
Se efectúa formando un arco eléctrico entre 2 electrodos: uno es la pieza de trabajo (metal de base) y otro, una varilla (denominada electrodo), que deposita un material de composición química similar al metal base o que cumple con determinada propiedad mecánica exigida al mismo.
Este arco eléctrico calienta y funde, simultáneamente el electrodo y parte de la pieza estableciendo una mezcla entre el metal base fundido y el metal de aporte (electrodo) que, al solidificar, forman el cordón de soldadura.

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La gluconeogénesis es la ruta metabólica que permite la síntesis de glucosa a partir de sustratos no glúcidos, principalmente en el hígado.

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En los procesos biológicos celulares ocurren reacciones de oxido reducción en las cuales se puede cuantificar el valor de ∆G, para lo cual, hay que considerar el potencial de reducción, también conocido potencial rédox (E), el cual es el indicador de la mayor o menor afinidad por los electrones de un par de redox conjugado.  El potencial redóx es medido en voltios.
El cambio de energía que acompaña a una reacción redóx en condiciones estandar se puede cuantificar usando la siguiente formula:

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La formación de la glucosa a partir del piruvato es energéticamente desfavorable a menos que a estas se le acoplen reacciones que las vuelvas favorables.
Estequiometría de la gluconeogénesis

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El calculo del potencial redox de un par de redox conjugados en cualquier condición no estandar se la realiza mediante la ecuación de Nernst

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El costo extra de energía en la gluconeogénesis ayuda a que la transformación del proceso desfavorable en favorable.
Estequiometría de la reacción inversa de la glicolisis

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          Reacción                  Enzima responsable

Piruvato---------> Oxaloacetato                         Piruvato carboxilasa
Oxaloacetato----->Malato                                    Malato deshidrogenasa
Malato----------->Oxaloacetato
Oxaloacetato----->Fosfoenolpiruvato                 PEP carboxiquinasa

Fosfoenolpiruvato->Fructosa 1,6 Bisfosfato        Enzimas de la glicólisis

Fructosa 1,6 Bisfosfato->Fructosa 6 Fosfato       Fructosa 1,6 Bisfosfatasa
Fructosa 6 Fosfato->Glucosa 6 Fosfato              Fosfohexosa isomerasa
Glucosa 6 Fosfato-->Glucosa                               Glucosa 6 Fosfatasa

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La carboxilación del piruvato para la formación del oxaloacetato se da en tres pasos. En el intermedio de este proceso se forma la carboxibiotina-enzima. El dióxido de carbono  unido con la biotina posee un ∆G´= -20kJ/mol. Esta carga permite que la carboxibiotina transfiera dióxido de carbono sin la necesidad de energía libre extra.

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La gluconogénesis no genera energía sino que la consume. En el proceso se consumen 4 moléculas de ATP, 2 de GTP y 2 de NADH.

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En la glicolisis, la adición de un grupo fosforilo atrapa al fosfoenolpiruvato. Sin embargo esta adición resulta desfavorable para la reacción, teniendo un ∆G´= 31kJ/mol (7.5 kcal/mol). En la gluconeogénesis el uso de la carboxilación y descarboxilación supone una reacción de ∆G´=0.8kJ/mol (0.2 kcal/mol) lo que resulta favorable para la formación del fosfoenolpiruvato.

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La obtención de glucosa define el análisis de la entalpía como un proceso que necesita energía. Además, basándonos en la II Ley de la Termodinámica donde "En todo proceso irreversible aumentará la entropía del universo" y, considerando que el proceso de gluconeogénesis conlleva 4 reacciones irreversibles, se puede decir que tal proceso biológico es espontáneo siempre y cuando el valor de la entropía de la reacción sea mayor que el de la entalpía.

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Es el proceso de formación de ATP a partir de la transferencia de electrones desde NADH o FADH₂ hasta el O₂ por una serie de transportadores iónicos en la mitocondria, desprendiéndose una cantidad de energía considerable.
El NADH y FADH₂ provienen de etapas más tempranas del proceso de respiración celular (glicólisis, oxidación del piruvato y ciclo del ácido cítrico).

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Los electrones cedidos por NADH ingresan a la cadena de electrones por el Complejo I (NADH-Q deshidrogenasa).

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*El FADH₂ ingresa sus electrones en el complejo Fe-S (Complejo II) y de allí hasta Q porque sus electrones se encuentran en un nivel más bajo en comparación con el NADH.

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Una vez en Q, los electrones se transportan al citocromo c oxidado por acción de las enzimas del complejo Q-citocromo c oxidorreductasa (Complejo III).
El complejo III bombea los electrones a través de la membrana hasta el Citocromo C.

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El Citocromo C transporta los electrones al complejo enzimático Citocromo c oxidasa (Complejo IV). En el complejo IV se cataliza la transferencia de electrones desde la forma reducida del citocromo c al O₂.

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Electroquímica de la Fosforilación Oxidativa

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Electroquímica de la Fosforilación Oxidativa

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Un agente fuertemente reductor (como el NADH) está obligado a ceder electrones y tiene un potencial de reducción negativo, mientras que un agente fuertemente oxidante (como el O₂) está dispuesto a aceptar electrones y tiene un potencial de reducción positivo.

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La transferencia de electrones desde el NADH al O₂ es un proceso exergónico por lo que es espontáneo y libera energía.
La síntesis de ATP  es un proceso endergónico catalizado por el complejo ATP sintasa.

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Una diferencia de potencial de 1,14 V entre el NADH y el O₂ impulsa el transporte de electrones a través de la cadena y permite la formación de un gradiente de protones.
La síntesis de ATP y el transporte electrónico se acoplan mediante un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna.

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En la fosforilación oxidativa el potencial de transferencia de electrones (E’₀) del NADH o del FADH₂ se convierte en el potencial de transferencia de grupos fosforilo que corresponde al ΔG°’ de la hidrólisis del compuesto fosforilado activado.
Potencial de reducción para las reacciones que se dan en la fosforilación oxidativa:

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