INFORME Nº 14- "ELECTROQUIMICA”
RESUMEN La práctica fue realizada bajo las siguientes condiciones: Tem Temperatura peratura 296K, Presión !6 mm"g mm"g # una "umedad "umedad $elati%a igual a 96&' (l objeti%o de esta esta práctica fue estudiar la ecuación ecuación de )ernst aplicada aplicada a la celda ce lda ele electr ctro*u o*u+mi +mica ca -n./-n./-nn 02 1'34 // 5u02 1'34 /5u. /5u. 4,a dife difere rent ntes es concentraciones as+ como el estudio de la le# de arada#' arada#' Para estudiar estudiar la ecuación ecuación )erst empleamo empleamoss una celda o pila gal%ánica, gal%ánica, la cual cu al con consis siste te de dos ele electr ctrod odos os dif difere erente ntess inmers inmersos os en soluci solucione oness *ue contienes sus iones, en donde la energ+a *ue se genera pro%iene de la diferencia de potencial electro*u+mico *ue e7iste entre ambos electrodos' 8 para estudiar la le# de arada# trabajamos con una celda electro*u+mica' e las pruebas realizadas se obtu%ieron los siguientes datos: (l potencial de celda para el sistema electro*u+mico formado por soluciones de 5u; 5u;< <1' 1'3 344 # -n; -n;< <1' 1'3 344 fue fue de 1 1=1 =13% 3%,,po porr so solu luci cion ones es de 5u; 5u;< <1' 1'1 134 34 # -n; -n;< <1' 1'3 344 fue fue de 1 11 13% 3% # po porr so solu luccione ioness de 5u;<1'1134 # -n;<1'34 fue de 1<3%, obteni>ndose '=!, 1 # '2?& de error ror respecti%a i%ame mennte, respecto a los los potenciales teóric teó ricos os113 113%%,1 ,113% 13% # 1! 1!
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I-OBJETIVOS:
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(studiar la ecuación de )ernst aplicada a la celda gal%ánica -n/-n02//5u02/5u a diferentes concentraciones'
(studiar la le# de arada# para la electrolisis del agua'
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II.-MARCO TEORICO Electroquímica (lectro*u+mica es una rama de la *u+mica *ue estudia la transformación entre la energ+a el>ctrica # la energ+a *u+mica' (n otras palabras, las reacciones *u+micas *ue se dan en la interfase de un conductor el>ctrico llamado electrodo, *ue puede ser un metal o un semiconductor4 # un conductor iónico el electrolito4 pudiendo ser una disolución # en algunos casos especiales, un sólido' i una reacción *u+mica es conducida mediante un %oltaje aplicado e7ternamente, se Aace referencia a una electrólisis, en cambio, si el %oltaje o ca+da de potencial el>ctrico, es creado como consecuencia de la reacción *u+mica , se conoce como un Bacumulador de energ+a el>ctricaB, tambi>n llamado bater+a o celda gal%ánica' Las reacciones *u+micas donde se produce una transferencia de electrones entre mol>culas se conocen como reacciones redo7, # su importancia en la electro*u+mica es %ital, pues mediante este tipo de reacciones se lle%an a cabo los procesos *ue generan electricidad o en caso contrario, es producido como consecuencia de ella' (n general, la electro*u+mica se encarga de estudiar las situaciones donde se dan reacciones de o7idación # reducción encontrándose separadas, f+sicamente o temporalmente, se encuentran en un entorno conectado a un circuito el>ctrico' (sto Cltimo es moti%o de estudio de la *u+mica anal+tica, en una subdisciplina conocida como análisis potenciom>trico'
5orriente el>ctrica # mo%imiento de iones
D
condiciones diferentes a los estándares, el potencial de a celda puede calcularse de acuerdo con la ecuación de Ealter )erst:
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RT 1
( F ( G
nF
ln
azn + 2 acu + 2
onde: (1F Potencial de celda a condiciones estándar azn02F acti%idad del ion zinc acu02F acti%idad del ion cobre Estequiometria e la electrolisis Las relaciones cuánticas entre electricidad # cambio *u+mico fueron descritas originalmente por 3icAael arada# en =?2 # =??' (l trabajo de arada# se conoce mejor por la referencia a las medias reacciones *ue ocurren durante la electrólisis' (l cambio en el cátodo durante la electrólisis del cloruro de sodio fundido: )a0 0 eG
)a
Celas !al"#$icas% "oltaicas o &ilas uncionan espontáneamente' Htiliza una reacción *u+mica para realizar trabajo el>ctrico' uncionamiento: ej' pila -n.s4 /-n02a 34 // 5u02b 34 /5u. s4 • • •
Inodo G4: ;7idación: -n.s4 J -n20ac4 0 2eG 5átodo 04: $educción: 5u20ac4 0 2eG J 5u.s4 Puente salino o tapón poroso: flujo de iones' Los electrones se mue%en a tra%>s del circuito e7terno desde el lugar de la o7idación ánodo4 Aacia el sitio de la reducción cátodo4' Cela electrolítica Hna celda electrol+tica consta de un l+*uido conductor llamado electrol+tico además de dos electrodos de composición similar' La celda como tal no sir%e como fuente de energ+a el>ctrica, pero puede conducir corriente desde una fuente e7terna denominada acción electrol+tica' e usa en electro deposición, electro formación, producción de gases # realización de mucAos procedimientos industriales, un ejemplo es la refinación de metales' iendo la cantidad producida de cual*uier sustancia proporcional a la cantidad de electricidad *ue atra%iesas la celda' (sta relación fue descubierta por 3icAel arada# # resumida en lo siguiente: 96!11 coulombs de electricidad producen un e*ui%alente gramo de determinada sustancia en cada electrodo' egCn farada#:
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3 F P(4 t 96!115 i debido al flujo de la corriente los electrodos se tornan desiguales, es posible *ue ocurra una acción %oltaica'
Hna celda electrol+tica se produce una reacción de descomposición en base a los electrones *ue circulan por la solución electrol+tica' Hna celda %oltaica se produce una reacción # como consecuencia de esa reacción se liberan electrones produci>ndose una diferencia de potencial generas corriente el>ctrica4'
III.-'ROCE(IMIENTO E)'ERIMENTA* Ecuaci+$ e Ner$st
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Preparamos en fiolas diferentes 2!1mL de las soluciones 5u; < 1'13 # 1'113' Luego %ertimos 211 mL de -n; < 1' 3 en un %aso de precipitados # Aicimos lo mismo con la solución 5u; < 1'3 # lo conectamos dicAos %asos con el puente salino' eguidamente lijamos las 2 láminas metálicas # las enjuagamos con agua destilada' Luego conectamos el cordón el>ctrico negro en 5;3M # el rojo en %M del mult+metro' Luego el otro e7tremo del cordón negro lo conectamos con la lamina se -n # al rojo con la lamina de 5u, # lo introducimos en sus respecti%as soluciones tratando *ue estas no Aagan contacto con las pinzas' Luego giramos la perilla del mult+metro Aasta 2@ en 5@ # se encendió el aparato' Luego dejamos *ue la lectura se estabilice # anotamos' $epetimos el procedimiento para soluciones de 5u; < 1'13 # 5u; < 1'113'
*e, e araa, Primero se %ertió 211 mL de solución de )a;" <) en un %aso de 2!1mL' Luego conectamos la bureta con el tubo con salida lateral # manteniendo abierto el conducto *ue conecta con el ambiente se procedió a ni%elar el %olumen de agua en la bureta en cero subiendo o bajando la pera de decantación del gasómetro' eguidamente instalo el otro electrodo de acero ánodo4 al mismo ni%el *ue el anterior' Luego conectamos el Terminal negati%o de la fuente de corriente con el cátodo # el Terminal positi%o con el ánodo' Luego graduamos 1'2 D en la fuente de corriente continua' Luego de encender la fuente dejamos pasar unos 2 minutos antes de comenzar el e7perimento para *ue el Aidrogeno desplace todo el aire' Luego cerramos el conducto *ue conecta con el ambiente # al mismo tiempo se puso en marcAa el cronometro # controlamos el tiempo *ue demora en producir 21mL de Aidrogeno' urante todo este tiempo se mantu%o el ni%el del agua dentro de la bureta igual al ni%el de agua dentro de la pera de decantación' IV.- CA*CU*OS RESU*TA(OS •
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Tabla ).<': 5ondiciones del Laboratorio Presión mm"g !6 Temperatura .K 296'! "umedad $elati%a &"$ 96 (atos te+ricos: Tabla ).<'2: 5oeficientes de Dcti%idad de los iones -n # 5u a 2!.5 on 5oncentracion 8coef'acti%4 mol/litro 1' 1'<=! 5u02 1'1 1'<9 1'11 1'91! 02 -n 1' 1'<
de Concentración [Cu+2]
1' 1' 1'
1' 1'1 1'11
de Potenciales experimentales mV
1=1 11 1!<
Tabla ).<'<: Tiempo para *ue se desprenda un determinado %olumen de "idrogeno gaseoso' Tiempo s4 @olumen mL 21 <' Resultaos , 0 Error: Tabla ).<'<: Potenciales en la celda Oal%ánica e%aluando en la (cu' )erst cuando la acti%idad es igual a la concentración de los iones' Concentración Concentración Potenciales &(rror de [Zn+2]
de [Cu+2]
1' 1' 1'
1' 1'1 1'11
11 11 1<
'=! 1 G'2?
Tabla ).<'!: Potenciales en la celda Oal%ánica e%aluando en la (cu' )erst, teniendo en cuenta los coeficientes de acti%idad de los iones' Concentración Concentración Potenciales &(rror de [Zn+2]
de [Cu+2]
1'
1'
7
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'=!
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1' 1'
1'1 1'11
199'9= 199'9!
2'=1 !'66
Tabla ).<'!: 3asa del Aidrogeno gaseoso liberado en el sistema electro*u+mico' 3asa "2 segCn arada# 1'111?
3asa " 2 e7perimental 1'111?=
&(rror G2'6?
a1 Meia$te la ec. (e Ner$st calcule el &ote$cial e cela &ara caa &ar e solucio$es. (cuación de )ernst: i se utiliza las concentraciones en lugar de las acti%idades
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E ( v )
º
= E ( v ) −
RT nF
[ Zn 2 ] +
ln
[Cu 2 ] +
T F 2!.5F29='!.K $ F ='?< /mol'.K nF2 F 96!11 5 'ote$ciales te+ricos Para Q-n02R F 1'3 # Q5u02R F 1'3 (F11 m% Para Q-n02R F 1'3 # Q5u02R F 1'13 (F11 m% Para Q-n02R F 1'3 # Q5u02R F 1'113 (F1<2 m% Calculo e &orce$ta2e e error % Error =
V teorico − V exp V teorico
×
100%
Para Q-n02R F 1'3 # Q5u02R F 1'3 % Error =
1100 − 1080 1100
×
100% = 1.82%
&(rrorF '=2&
Para Q-n02R F 1'3 # Q5u02R F 1'13 % Error =
1070 − 1070 1070
×
100% = 0.00%
&(rrorF 1'11&
Para Q-n02R F 1'3 # Q5u02R F 1'113 % Error =
1042 − 1054 1042
×
100% = −1.15%
&(rrorF G'!&
i se toman en cuenta los coeficientes de acti%idades:
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aF#7Q30nR i para Q-n02R F 1'3 # Q5u02R F 1'3 sus coeficientes de acti%idades son 1'<=! # 1'<=! respecti%amente segCn la tabla ) 1' (ntonces si reemplazamos en la ecuación de )ernst, tenemos lo siguienteT: 8.314 x 296.15
(F 11m% G
7Ln
2 x 96500
0.485 x 0.1 0.485 x 0.1
(F 11 m% $eemplazamos igualmente los demás coeficientes de acti%idades del ion 5u02 para las concentraciones de 1'1 # 1'11' (l porcentaje de error para este %alor ser+a igual a '=2&' 31 Utili4a$o la *e, e araa, calcule la ca$tia e$ !ramos e 5iro!e$o li3erao e$ el c#too , com&#relo co$ el o3te$io e/&erime$talme$te. i el tiempo para *ue se liberen <'mL de Aidrogeno se demora 21 segundos, calculamos el peso de Aidrogeno producido'
3asa"2F
1 x 0.3 x 120 96500
3asa"2F1'111?g (7perimentalmente se calcula la masa a partir de la (cuación de gases deales, #a *ue la Presión a la *ue se encuentra el gas es menos a atm' PF!6mm"g @F<'mL P@F$Tn PVM
mF mF
RT
756 x 4.7 x 10 −3 x 2 760 x 0.082 x 296.15
mF1'111?=g (l porcentaje de error al comparar el %alor obtenido por la Le# de arada# # el e7perimental es G1'12&
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V.-CONC*USIONES (l potencial de celda para el sistema electro*u+mico formado por soluciones de 5u;<1'34 # -n;<1'34 fue de 1=13%,por soluciones de 5u;<1'134 # -n;<1'34 fue de 113% # por soluciones de 5u;<1'1134 # -n;<1'34 fue de 1<3%, obteni>ndose '=!, 1 # '2?& de error respecti%amente, respecto a los potenciales teóricos113%,113% # 1!
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VI.-BIB*I6RAIA
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amuel " 3arón, 5arl Prutton, undamentos de la fisico*u+micaM, (ditorial L3HD, 3(S5;, 211' Oilbert E' 5astellán, isico*u+micaM, 2da ed', (d' Dddison Eesle#, 3(S5;, 9=' isico*u+mica, Oastón Pons 3uzzo, ed' uni%erso , (d,969, pág' <6< U <1 Lange "andbooN of 5Aemistr# TentA edition 964 pag 21!'
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VII.-CUESTIONARIO 7. A qu8 se e$omi$a 9electrolitos% me$cio$e tres e2em&los. Hn electrólito es una sustancia *ue se descompone en iones part+culas cargadas de electricidad4 cuando se disuel%e en los l+*uidos del cuerpo o el agua, permitiendo *ue la energ+a el>ctrica pase a tra%>s de ellos' Dlgunos de los ejemplos de electrolitos son el sodio, el potasio, el cloruro # el calcio' La responsabilidad principal de los electrolitos en los seres %i%os es lle%ar nutrientes Aacia las c>lulas # sacar los desecAos fuera de estas' Los electrólitos pueden ser d>biles o fuertes, segCn est>n parcial o totalmente ionizados o disociados en medio acuoso' Hn electrolito fuerte es toda sustancia *ue al disol%erse en agua lo Aace completamente # pro%oca e7clusi%amente la formación de iones con una reacción de disolución prácticamente irre%ersible' Hn electrolito d>bil es una sustancia *ue al disol%erse en agua lo Aace parcialmente # produce iones parcialmente, con reacciones de tipo re%ersible' Los electrolitos generalmente e7isten como ácidos, bases o sales' Hn electrólito se describe como concentrado si tiene una alta concentración de ionesV o diluido, si tiene una baja concentración' i tiene una alta proporción del soluto disuelto se disocia en iones, la solución es fuerte V si la ma#or parte del soluto permanece no ionizado la solución es débil ' Los electrólitos juegan un papel importante en los seres %i%os' D#udan a mantener el fluido adecuado # el balance ácidoGbase dentro del cuerpo' Dlgunos de los cationes biológicos más importantes son )a0, K0, 5aW20 # 3g' Ddemás del 5lG, el ;W2G # el W2G, los aniones más importantes son los aniones poliatómicos' Hn ión poliatómico es un ión *ue contiene más de un átomo' (jemplos de iones poliatómicos son, el ión bicarbonato "5;?G4, *ue es un anión compuesto de cinco átomos, al igual *ue el ion sulfato ;
;. <=u8 es la EM> Me$cio$e al!u$as a&licacio$es.
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La fuerza electromotriz (34 es toda causa capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una corriente el>ctrica en un circuito cerrado' (s una caracter+stica de cada generador el>ctrico' 5on carácter general puede e7plicarse por la e7istencia de un campo electromotor X cu#a circulación, YX ds, define la fuerza electromotriz del generador' La f'e'm' se mide en %oltios, al igual *ue el potencial el>ctrico' (7isten diferentes dispositi%os capaces de suministrar energ+a el>ctrica, entre los *ue podemos citar: 'ilas o 3aterías' on las fuentes de (3 más conocidas del gran pCblico' Oeneran energ+a el>ctrica por medios *u+micos' Las más comunes # corrientes son las de carbónGzinc # las alcalinas, *ue cuando se agotan no admiten recarga' Las Aa# tambi>n de n+*uelGcadmio )i5d4, de n+*uel e Aidruro metálico )iG3"4 # de ión de litio LiGion4, recargables' (n los automó%iles se utilizan bater+as de plomoGácido, *ue emplean como electrodos placas de plomo # como electrolito ácido sulfCrico mezclado con agua destilada' M#qui$as electroma!$8ticas' Oeneran energ+a el>ctrica utilizando medios magn>ticos # mecánicos' (s el caso de las dinamos # generadores pe*ueZos utilizados en %eA+culos automotores, plantas el>ctricas portátiles # otros usos di%ersos, as+ como los de gran tamaZo empleado en las centrales Aidráulicas, t>rmicas # atómicas, *ue suministran energ+a el>ctrica a industrias # ciudades' Celas ?oto"oltaicas o ?otoel8ctricas' Llamadas tambi>n celdas solares, transforman en energ+a el>ctrica la luz natural del ol o la de una fuente de luz artificial *ue incida sobre >stas' u principal componente es el silicio i4' Hno de los empleos más generalizados en todo el mundo de las celdas %oltaicas es en el encendido automático de las luces del alumbrado pCblico en las ciudades' E?ecto &ie4oel8ctrico' Propiedad de algunos materiales como el cristal de cuarzo de generar una pe*ueZa diferencia de potencial cuando se ejerce presión sobre ellos' Hna de las aplicaciones prácticas de esa propiedad es captar el sonido grabado en los antiguos discos de %inilo por medio de una aguja de zafiro, *ue al deslizarse por los surcos del disco en mo%imiento con%ierten sus %ariaciones de %ai%>n en corriente el>ctrica de audiofrecuencia de mu# baja tensión o %oltaje, *ue se puede amplificar # o+r a un ni%el mucAo más alto'
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@. E/&lique e qu8 ?orma se &uee$ &reecir los &rouctos e$ u$ &roceso electrolítico. (n un proceso electrol+tico se puede predecir los resultados mediante las ecuaciones de reacción' Ddemás *ue si se tienen todos los datos necesarios intensidad de corriente, tiempo4 el cálculo se Aace simple' Por ejemplo para la solución de Aidró7ido de sodio se sabe *ue se forman los iones " 0 # ;G2, una %ez *ue empiece a pasar corriente el>ctrica el " 0 positi%o4 se dirigirá al cátodo # el ; G2 negati%o4 ira Aacia el ánodo' ;riginando gas Aidrogeno en el cátodo # gas o7+geno en el ánodo'
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VIII.-ANE)OS E*ECTRO(E'OSICIN RECU'ERACIN O E*IMINACIN (E META*ES 'ESA(OS EN E* TRATAMIENTO (E A6UAS RESI(UA*ES Hna de las aplicaciones industriales de la tecnolog+a electro*u+mica es el tratamiento de electrodeposición en aguas residuales para eliminar #/o recuperar metales pesados' La acti%idad del grupo en la l+nea de in%estigación de la electrodeposición de metales está principalmente dirigida a: ' esarrollo de procesos electro*u+micos para el reciclado # la recuperación de metales Pb, -n, )i[4' (l uso de los procesos electro*u+micos permite obtener metales con una gran pureza # supone una alternati%a más ecológica a la pirometalurgia clásica, pues e%ita la emisión de gases, sulfuros # part+culas metálicas' 2' (liminación de metales pesados en aguas residuales' Dctualmente, la e7istencia de metales pesados en aguas residuales constitu#e uno de los problemas de contaminación más importantes, debido a la ele%ada to7icidad # a sus propiedades acumulati%as' $especto a su origen, se generan casi e7clusi%amente en los efluentes industriales por ejemplo, en procesos metalCrgicos, baZos metálicos, tintes, colorantes, bater+as[4' e acuerdo con las l+neas de in%estigación # la e7periencia, el epartamento de \u+micaG+sica es capaz de desarrollar tratamientos altamente efecti%os para: ] Procesos de acabado metálico electrogal%anizado[4' ] $ecuperación de metales preciosos plata a partir de material fotográfico[4' ] $ecuperación de metales noGpreciosos plomo de las bater+as[4' ] (liminación de impurezas en reacti%os *u+micos' ] (lectrorremediación de suelos' La recuperación del metal se lle%a a cabo mediante su deposición en forma metálica sobre el cátodo en un reactor electro*u+mico' (sto supone la formación de una nue%a fase sólida' (l tipo de reactor electro*u+mico se determina en función del %alor del metal recuperado # de las le#es medioambientales' (n segundo lugar, la elección del diseZo está determinada por la posibilidad de reciclar el metal en forma metálica o como una disolución concentrada'
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La recuperación de metales por electrodeposición normalmente se lle%a a cabo a partir de disoluciones concentradas usando un reactor abierto' (sta geometr+a facilita la e7tracción # la recuperación masi%a del metal' 5uando el principal objeti%o es la eliminación de un metal contaminante en un efluente, es comCn encontrar concentraciones de metales pesados dentro del inter%alo G111 ppm' (stas concentraciones tan bajas obligan a imponer bajas densidades de corriente si se usan reactores con%encionales' ebido a esta baja concentración de metales en disolución, es importante desarrollar reactores electro*u+micos capaces de eliminar los metales en estas condiciones e7perimentales' (n este sentido, principalmente Aa# dos estrategias: ' Hsar electrodos tridimensionales' (ste tipo de electrodos electrodos porosos, montones de material esf>rico[4 poseen ele%adas áreas superficiales' (sto permite alcanzar ele%adas densidades de corriente de trabajo #, por lo tanto, aumentar la etapa de con%ersión' 2' ncrementar las condiciones del transporte de masa mediante la generación de turbulencias'
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