Electroqumica

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Introduccin

El presente informe describe los experimentos realizados, detallando marco terico, objetivos, materiales empleados, procedimiento, observaciones de cada uno de ellos, recomendaciones para tener presente en futuros experimentos as como tambin conclusiones y anexos.Para realizar estos experimentos se conto con la asesora y conduccin de la profesora encargada.En este informe presentamos todo concerniente a los dos experimentos realizados con la finalidad de encontrar las relaciones que existen entre diferentes sistemas metal in metlico, as tambin su aplicacin para generar energa, etc. Todo esto relacionado al tema ELECTROQUIMICA Y CORROSION.A su vez en la actualidad, las aplicaciones de la electroqumica son muy diversas y van desde estudiar la transformacin entre la energa elctrica y la energa qumica hasta la elaboracin de reacciones qumicas ms complejas

Objetivos

Consiste en encontrar las relaciones que existen entre diferentes sistemas metal in metlico, y la aplicacin para generar energa y distinguir el sistema qumico de una pila identificando sus electrodos, los principios estequiomtricos en procesos qumicos y la determinacin de los potenciales estndar de las pilas.

MARCO TEORICO

Celda Electroqumica

Unacelda electroqumicaes un dispositivo capaz de obtenerenerga elctricaa partir dereacciones qumicas, o bien, de producir reacciones qumica a travs de la introduccin de energa elctrica. Un ejemplo comn de celda electroqumica es la "pila" estndar de 1,5 voltios. En realidad, una "pila" es unacelda galvnicasimple, mientras unabateraconsta de varias celdasconectadas en serie.

Tipos de celdas electroqumicasHay dos tipos fundamentales de celdas y en ambas tiene lugar unareaccin redox, y la conversin o transformacin de un tipo deenergaen otra: Lacelda voltaicatransforma una reaccin qumica espontnea en una corriente elctrica, como laspilasy bateras. Tambin reciben los nombres decelda galvnica,pila galvnicaopila voltaica. Son muy empleadas por lo que la mayora de los ejemplos e imgenes de este artculo estn referidos a ellas. Lacelda electrolticatransforma unacorriente elctricaen unareaccin qumicadeoxidacin-reduccinque no tiene lugar de modo espontneo. En muchas de estas reacciones se descompone unasustancia qumicapor lo que dicho proceso recibe el nombre deelectrolisis. Tambin se la conoce comocuba electroltica. A diferencia de la celda voltaica, en la clula electroltica, los dos electrodos no necesitan estar separados, por lo que hay un slo recipiente en el que tienen lugar las dos semirreacciones.El segundo gran tipo de celdas electroqumicas convierte la energa de una corriente elctrica en la energa qumica de los productos de una reaccin que no se da de modo espontneo en las condiciones de trabajo de dicha cuba. El voltaje de dicha corriente ha de ser mayor al que tendra la celda galvnica en la que se produjese el proceso inverso, por lo que tambin se deben conocer lospotenciales de reduccin.Ejemplo: Los potenciales de reduccin del cobre (II)/cobre y del zinc (II)/Zinc valen respectivamente +0,34V y -0,76V. Una pila o celda galvnica que aprovechara la reaccin espontneaZn + Cu2+ Zn2++ Cuproporcionara una fuerza electromotriz de +0,34 V -(-0,76 V)=1,10 voltios.Si ahora queremos provocar la reaccin contrariaCu + Zn2+ Cu2++ Znpor ejemplo para depositar Zn sobre un objeto metlico, habremos de introducir una fuente de alimentacin que genere una corriente elctrica de ms de 1,10 voltios

Por tanto, en la clula electroltica existe igualmente una reaccin redox pero ahora est provocada por la energa elctrica de las cargas que atraviesan la cuba. Aunque ahora existe un nico recipiente, tambin existen dos semirreacciones, una en cada electrodo, pues en cada una de ella tiene lugar una parte de la reaccin redox:

La prdida de electrones (oxidacin) tiene lugar en elnodo. La ganancia de electrones (reduccin) se produce en elctodo.Un ejemplo es la electrolisis del agua cuando se le hace pasar una corriente elctrica.

Cuando la reacciones redox, son espontneas, liberan energa que se puede emplear para realizar un trabajo elctrico.Esta tarea se realiza a travs deuna celda voltaica (o galvnica).Las Celdas galvnicas,son un dispositivo en el que la transferencia de electrones, (de la semireaccin de oxidacin a la semireaccin de reduccin), se produce a travs de un circuito externo en vez de ocurrir directamente entre los reactivos; de esta manera el flujo de electrones (corriente elctrica) puede ser utilizado.

En la siguiente figura, se muestran los componentes fundamentales de unacelda galvnica o voltaica:Cmo funciona una celda galvnica?

En lasemicelda andicaocurren las oxidaciones, mientras que en lasemicelda catdicaocurren las reducciones. El electrodo andico, conduce los electrones que son liberados en la reaccin de oxidacin, hacia losconductores metlicos. Estos conductores elctricos conducen los electrones y los llevan hasta elelectrodo catdico; los electrones entran as a la semicelda catdica producindose en ella la reduccin.Veremos a continuacin, un ejemplo de celda voltaica:

La pila galvnica, consta de una lmina de zinc metlico, Zn (electrodo andico), sumergida en una disolucin de sulfato de zinc, ZnSO4, 1 M (solucin andica) y una lmina de cobre metlico, Cu (electrodo catdico), sumergido en una disolucin de sulfato de cobre, CuSO4, 1 M (solucin catdica).El funcionamiento de la celda se basa en el principio de que la oxidacin de Zn a Zn2+y la reduccin de Cu2+a Cu se puede llevar a cabo simultneamente, pero en recipientes separados por un puente salino, con la transferencia de electrones, e-, a travs de un alambre conductor metlico externo.Las lminas de zinc y cobre son electrodos.Los electrodosson la superficie de contacto entre el conductor metlico y la solucin de semicelda (andica o catdica).Si el electrodo no participan de la reaccin redox (ni se oxida ni se reduce), se le llama electrodo inerte o pasivo.Cuando participa de la reaccin redox, como es este caso, se denomina electrodo activo.

Sabemos que:El electrodo en el que se produce la oxidacin es el nodoy en el que se lleva acabo la reduccin es el ctodo.Los electrones quedan libres a medida que el zinc metlico se oxida en el nodo; fluyen a travs del circuito externo hacia el ctodo, donde se consumen conforme el Cu2+(ac) se reduce.Puesto que el Zn(s) se oxida en la celda, el electrodo de zinc pierde masa y la concentracin de Zn2+(ac) en la solucin aumenta con el funcionamiento de la celda. De manera similar, el electrodo de cobre gana masa y la solucin de Cu2+(ac) se hace menos concentrada a medida que el ste se reduce a Cu(s).nodo (oxidacin) Zn(s) Zn2+(ac) + 2e-Ctodo (reduccin) Cu2+(ac) + 2e- Cu(s)

Debemos tener cuidadode los signos que adjudicamos a los electrodos de una celda voltaica. Hemos visto que se liberan electrones en el nodo conforme el zinc se oxida y fluyen al circuito externo. Puesto que los electrones tienen carga negativa, adjudicamos un signo negativo al nodo. Por el contrario, los electrones fluyen hacia el ctodo, donde se consumen en la reduccin del cobre. En consecuencia, se confiere un signo positivo al ctodo porque parece atraer a los electrones negativos.Con el funcionamiento de la celda, la oxidacin del Zn introduce iones Zn2+adicional en el compartimiento del nodo. A menos que se proporcione un medio para neutralizar esta carga positiva, no podr haber ms oxidacin. De manera similar, la reduccin del Cu2+en el ctodo deja un exceso de carga negativa en solucin en ese compartimiento. La neutralidad elctrica se conserva al haber una migracin de iones a travs un puente salino o como en este caso, a travs de una barrera porosa que separa los dos compartimientos.

Un puente salinose compone de un tubo en forma de "U" que contiene una solucin muy concentrada de un electrlito, (por ejemplo: NaNO3(ac), NH4NO3(ac), NaCl(ac), KNO3(ac), entre otros) cuyos iones no reaccionan con los otros iones de la celda ni con el material de los electrodos.El electrlito se suele incorporar en un gel para que la solucin de electrlito no escurra cuando se invierte el tubo en U.

A medida que se produce la oxidacin y la reduccin de los electrodos, los iones del puente salino emigran para neutralizar la carga en los compartimientos de la celda.Los aniones emigran hacia el nodo y los cationes hacia el ctodo.De hecho, no se producir un flujo medible de electrones a travs del circuito externo, a menos que se proporcione un medio para que los iones emigren a travs de la solucin de un compartimiento al otro, con lo que el circuito se completa.

EXPERIMENTO 1:Pilas electroqumicas

Parte A: Preparar las semipilas Zn(s) / Zn2+ (0.1 M) // Cu2+ (0.1 M) / Cu(s)

PROCEDIMIENTO:

1. Lave con agua destilada 2 vasos de precipitado de 150 ml y enjuague uno de los vasos con Cu(NO3)2 0.1 M y aada la misma solucin hasta la mitad del vaso y el otro con Zn(NO3)2 0.1 M.

2. Colocar el electrodo de cobre previamente limpio en el vaso que contiene el Cu(NO3)2 0.1 M haciendo la conexin al terminal positivo del voltmetro.

3.Colocar el electrodo de Zinc, previamente limpiado con el vaso que contiene Zn(NO3)2 0.1 M conecte al terminal.

4.Anote la lectura del voltaje con las semipilas segn lo obtenido al hacer la conexin.

5- Colocar un puente salino, tubo en U que contenga una dilucin saturada de cloruro de potasio (KCl).

CALCULOS Y RESULTADOS:

Semirreaccin en el nodo (electrodo negativo): Oxidacin del Zinc

Semirreaccin en el ctodo (electrodo positivo): Reduccin del Cobre

Reaccin global de la pila:

Voltaje terico de la pila de Daniells:

Como la celda no tena las concentraciones estndar usamos Nernst :

Para el Cobre:

E =0,3105VPara el Zinc:

E = 0,7895 VEl potencial de la pila con esas concentraciones ser:

Voltaje experimental de la pila:

Entonces el porcentaje de error :

Observaciones:

Debido a las reacciones de oxidacin reduccin ocurrida en la pila y la diferencia de potencial entre las semipilas se genera electricidad que es captada por el multitester. Al oxidarse el electrodo de zinc en el nodo, este reduce su masa mientras pasa a solucin; sin embargo, en el ctodo el electrodo de cobre aumenta su masa debido a la reduccin del su ion. La diferencia de potencial obtenida de manera experimental es menor a la obtenida tericamente debido a que las concentraciones de las soluciones no son exactas, las soluciones estn contaminadas, existen impurezas en los electrodos, la temperatura no es exactamente la estndar, etc.

Parte B: Preparar las semipilas Pb(s) / Pb2+ (0.1 M) // Cu2+ (0.1 M) / Cu(s)PROCEDIMIENTO:

1. De manera similar que en la parte A, prepare en vasos de 150 ml colocando en uno hasta la mitad de su volumen, de su solucin de Nitrato de Plomo 0.1 M y en el otro, tambin hasta la mitad de su volumen de Nitrato de cobre 0.1 M luego.

2. Coloque el puente salino y observe el voltaje.Importante: Debe evitar contaminar las soluciones de las semipilas.

CALCULOS Y RESULTADOS:

Semirreaccin en el nodo (electrodo negativo): Oxidacin del Plomo

Semirreaccin en el ctodo (electrodo positivo) : Reduccin del Cobre

Reaccin global de la pila:

Voltaje terico de la pila:

Como la celda no tena las concentraciones estndar usamos Nernst :

Para el Cobre:

E =0,3105VPara el Plomo:

E = 0,1595 VEl potencial de la pila con esas concentraciones ser:

Voltaje experimental de la pila:

Entonces el porcentaje de error:

Observaciones:

Debido a las reacciones de oxidacin reduccin ocurrida en la pila y la diferencia de potencial entre las semipilas se genera electricidad que es captada por el multitester. Al oxidarse el electrodo de zinc en el nodo, este reduce su masa mientras pasa a solucin; sin embargo, en el ctodo el electrodo de cobre aumenta su masa debido a la reduccin del su ion. La diferencia de potencial obtenida de manera experimental es menor a la obtenida tericamente debido a que las concentraciones de las soluciones no son exactas, las soluciones estn contaminadas, existen impurezas en los electrodos, la temperatura no es exactamente la estndar, etc.

Parte C : Preparar las semipilas Zn(s) / Zn2+ ( 0.1 M ) // Pb2+ ( 0.1 M) Pb(s) / Pb(s)PROCEDIMIENTO:

Aplicamos el mismo procedimiento que en el experimento anterior.

CALCULOS Y RESULTADOS:

Semirreaccin en el nodo (electrodo negativo): Oxidacin del Zinc

Semirreaccin en el ctodo (electrodo positivo) : Reduccin del Plomo

Reaccin global de la pila:

Voltaje terico de la pila:

Como la celda no tena las concentraciones estndar usamos Nernst:

Para el Plomo:

E =-0,1595VPara el Zinc:

E = 0,7895 VEl potencial de la pila con esas concentraciones ser:

Voltaje experimental de la pila:

Entonces el porcentaje de error:

Observaciones:

Debido a las reacciones de oxidacin reduccin ocurrida en la pila y la diferencia de potencial entre las semipilas se genera electricidad que es captada por el multitester. Al oxidarse el electrodo de zinc en el nodo, este reduce su masa mientras pasa a solucin; sin embargo, en el ctodo el electrodo de cobre aumenta su masa debido a la reduccin del su ion. La diferencia de potencial obtenida de manera experimental es menor a la obtenida tericamente debido a que las concentraciones de las soluciones no son exactas, las soluciones estn contaminadas, existen impurezas en los electrodos, la temperatura no es exactamente la estndar, etc.

EXPERIMENTO 2Electrlisis de yoduro de potsico en solucin acuosa

PROCEDIMIETO:

1. Arme el equipo de electrlisis, utilizando un vaso o un tubo en U y como electrodos barras de carbn. Debe utilizarse una fuente de corriente que tenga entre 6 a 12 voltios de potencial.

2. Aadir la solucin de yoduro de potasio 0.5M, lo necesario para llenar el tubo hasta 1cm del extremo.

3. Realice la conexin elctrica y deje transcurrir un tiempo de 20 minutos aproximadamente.

4. Observe y tome nota, de los productos y cambios de color que tiene lugar en el nodo donde se produce la oxidacin.

5. Observe y tome nota, de los productos y cambios de color que tiene lugar en el ctodo donde se produce la reduccin.6. Observe en que proporcin el color pardo e difunde del nodo del tubo en U hasta el ctodo.7. Extraiga los electrodos cuidadosamente y perciba el olor del nodo del electrodo de carbn.

8. Emplee un gotero parpara extraer unos 2 ml de la solucin del extremo donde estaba el ctodo. Aada unas gota de indicador fenolftalena para comprobar la formacin de hidrogeno gaseoso. aada luego cloruro frrico 0,1 M.9. Mediante un gotero extraiga unos 2 ml de lquido pardo del nodo. Aada 1ml de CCl4, tape y agite el tubo durante unos segundos. Deje reposar la capa de CCl4 ms densa y observe la do z coloracin de las partes liquidas.

Observaciones y conclusiones: Se trabaj con una fuente de 9V. Este experimento fue demostrativo ya que fue realizado por la profesora. En el ctodo, como se sabe se produce la reduccin; mientras que en el nodo la oxidacin. El ion I- si se deposita en el nodo, mientras que el ion K+ no se deposita en el nodo si no es el agua quien se deposita en ste. En el nodo se forma yodo molecular I2 de un color pardo, el cual se difunde hasta la mitad del tubo en U, esto evidencia que se produjo oxidacin.La reaccin andica es:

En el ctodo se produce hidrgeno molecular H2, esto se not debido a la presencia de burbujas. La reaccin catdica es:

Debido a la presencia de los iones K+ y los iones OH- se forma hidrxido de potasio segn la reaccin neta:2K+ + 2I- + 2H2O 2KOH + I2 +H2

Al agregar el indicador fenolftalena se comprueba la presencia del hidrxido de sodio. Al agregar tetracloruro de carbono en el yodo molecular se observa la molcula ms pesada.Cuestionario:1. y 2. Realice las reacciones de las semipilas y Calcule el voltaje terico de ambas:

a) Zn(s) / Zn2+ ( 1 M) // Cu2+ ( 1 M ) / Cu(s)

b) Pb(s) / Pb2+ ( 1 M) // Cu2+ ( 1 M ) / Cu(s)

3. Qu ocurre con la pila Zn(s) / Zn2+ ( 1 M) // Cu2+ ( 1 M ) / Cu(s) .Si en vez de tener Zn2+(1M), tenemos Zn2+(4M) ?

Aplicamos Nernst:

Observamos que se reduce el voltaje por lo que disminuye la corriente. 4. Cul es la finalidad del puente salino?

Mantiene la neutralidad elctrica en cada semicelda, evita que se mezclen las soluciones y permite el contacto elctrico entre las dos soluciones; el puente salino permite el paso lento de los iones. Este se prepara doblando un pedazo de tubera de vidrio en forma de U y rellenndolo con una sal saturada caliente y solucin de agar (material gelatinoso que se obtiene de las algas) 5% permitiendo que se enfre. Adquiere consistencia de gelatina firme. Evita que se mezclen las soluciones. Permite el contacto elctrico entre las dos soluciones.

5. Porque en electroqumica se utiliza corriente continua y no corriente alterna

Debido a que la electroqumica, normalmente se la usa para separar elementos metlicos o conductores en formas ms puras, o hacer reaccionar ciertos cidos o bases de formas especificas. Normalmente para separarlos se necesita atraer a cierto polo, lo cual no funcionaria en corriente alterna ya que esta est en constante fluctuacin y no tiene un polo constante, es decir, en la corriente alterna, la polaridad cambia alternativamente varias veces por segundo. En electroqumica, es necesaria una corriente que mantenga su polaridad.

6 Si tuviramos una pila, compuesta por las semipilas: Cu(s) / Cu2+ (1M) // Cu2+ ( 2M ) / Cu(s)

a) se originara una cada de voltaje?Corresponde a una celda de concentracin.

En el nodo ocurre la oxidacin:

Cu(s) Cu2+ + 2e- E = - 0,34 V

En el ctodo ocurre la reduccin:

Cu2+ + 2e- Cu(s) E = + 0,34 V

Aplicando la ecuacin de Nernst:

Sumando:

El voltaje sufre una ligera elevacin.

b) El voltaje terico de esta celda es 0,00V y el sentido de la corriente es desde al nodo hacia al ctodo.

3. Formule las reacciones que se llevan a cabo en la electrlisis del yoduro del potasio.

La reaccin catdica es:

La reaccin andica es:

La reaccin neta:2K+ + 2I- + 2H2O 2KOH + I2 +H2

Bibliografa

1. Silberberg. Qumica La naturaleza molecular del cambio y la materia segunda edicin, editorial: Mc Graw-Hill.

1. Brown, Lemay, Bursten. Qumica La ciencia central novena edicin, editorial Pearson.

1. Raymond Chang. Qumica General sptima edicin, editorial: Mc Graw-Hill.

Universidad Nacional de Ingeniera