Universidad de Chile Facultad de Ciencias Departamento de Química
Informe laboratorio N°5: Medición de los parámetros termodinámicos termo dinámicos de una pila
Alumno: Diego Ignacio Valderrama alderrama Soto Mail: diego.valderrama.sug.uchile.cl Carrera: Ingeniería en !iotecnología Molecular Fecha: "# de Ma$o del %#"&
Introducción 'a (A) indica *ue una pila es un dispositivo *ue tiene como +unci,n trans+ormar energía *uímica en el-ctrica "/0 sirviendo como +uente de energía para distintos dispositivos el-ctricos como controles remotos0 radios port1tiles0 entre otras. )n este la2oratorio se tra2a3ar1 con una pila con+eccionada de dos semi4pilas de 5265278 $ Cu6Cu7% conectadas por un puente salino $ *ue tiene como +unci,n reali9ar la reacci,n *uímica *ue permita o2tener electricidad0 la cual ser1 medida por un voltímetro0 el cual est1 conectada a la pila a trav-s de electrodos de co2re $ plomo. Con la o2tenci,n del volta3e de la pila es posi2le calcular los par1metros termodin1micos de la pila0 es decir0 es posi2le calcular la energía li2re de i22s0 la entropía $ la entalpía de la pila0 sa2iendo *ue la relaci,n entre la energía li2re de i22s $ el volta3e de una celda electro*uímica es %/: ∆ G=−nFε ( 1 )
Donde n corresponde a la cantidad de moles de electrones *ue son trans+eridos en la reacci,n *uímica de la pila; F es la constante de Farada$ de valor ε
/ ∗
96485 J V mol
$
corresponde al volta3e de la pila en unidades de Volt.
De los conocimientos ad*uiridos en termodin1mica se sa2e *ue la entropía est1 dada por la ecuaci,n:
−∆ S = Donde
∆ (∆ G) ∆ T ∆ T
(2 )
es la temperatura medida en
Datos Brutos Con las mediciones reali9adas con el voltímetro en la pila +a2ricada0 se o2tuvieron los siguientes datos: Tabla I: Diferencia de potencial de la pila a distintas temperaturas. Temperatura pila (°C) Voltaje pila (mV) 60 @# 55 @B 50 @B 5 @BB 0 @B& !5 @B@ !0 @B8 "5 @B% "0 @B" # @&
Ca2e mencionar *ue para este in+orme el valor o2tenido a "C ser1 el mismo a #C.
Análisis de datos 5ara poder o2tener los par1metros termodin1micos de la pila es necesario cam2iar de unidades los valores de la temperatura $ del volta3e0 pasando de C a < $ de mV a V respectivamente: Tabla II: Valores con$ertidos de tabla I. Temperatura pila (°C) Voltaje pila (V) !!! #.@# !"% #.@B !"! #.@B !#% #.@BB !#! #.@B& !0% #.@B@ !0! #.@B8 "&% #.@B% "&! #.@B" "'! #.@& Usando el programa Erigin5ro se reali9, el siguiente gr1+ico:
"#
%$ ( & ' e j a t l o "#$2 &
"#5$ 27
!
!!
)emperatura '*(
Figura %: r1+ico temperatura Vs Volta3e pila. Como se puede apreciar en este gr1+ico0 la relaci,n entre temperatura $ volta3e presenta una recta lineal0 cu$a ecuaci,n es: −4
V =2.082∗10
∗T + 0.399
Con lo *ue se puede e?trapolar a %< para o2tener el volta3e a esa temperatura0 suponiendo *ue se tra2a3, a condiciones est1ndar0 es decir0 en el la2oratorio ha2ía una temperatura $ presi,n constante de %&C $ "atm respectivamente0 con lo *ue se o2tiene:
−4
V =2.082∗10
V / K ∗298 K + 0.399 V
V =0.461 Volt
)n la e?periencia se o2serv, como en el tu2o central de la pila0 es decir0 al tu2o *ue contenía %#m' de 52=GE8>% #.%&M $ %#m' de
% #.&M para llegar al tu2o central $ luego seguir hacia el tu2o *ue contenía CuSE@ #.&M0 de modo *ue las semi4 reacciones serían: 0
•
E?idaci,n:
Pb → Pb
•
(educci,n:
Cu
+2
+2
+ 2 e´
+ 2 e´ →Cu
0
Quedando +inalmente la reacci,n:
Pb
0
+ Cu+
2
→ Pb
+2
+ Cu
0
Usando la ecuaci,n ="> sa2iendo de las semi4reacciones *ue nH%0 se tiene *ue: J
¿ V ∗mol ¿¿ ¿ ∆ G=−2∗96485 ¿ ∆ G=−88.959 kJ / mol
De la ecuaci,n =@> el valor de
∆ ε / ∆ T
corresponde a la pendiente o2tenida del gr1+ico
temperatura Vs Volta3e pila0 cu$o valor es de
−4 2.082 10
∗
. Utili9ando este valor en la
ecuaci,n =@> se tiene: J
¿ V ∗mol ¿¿ ¿ ∆ S =2∗96485 ¿ ∆ S =40.176 J / K ∗mol
Finalmente usando los par1metros calculados =
∆G
0
∆S
> en la ecuaci,n =&>0
o2tenemos la entalpía:
∆ H =−88.959 kJ / mol + 298 K ∗40.176 J / K ∗mol ∆ H =−76.987 kJ / mol
)n el documento *ue se e?igi, *ue se le$era %/ aparecen los valores de literatura usados como re+erencia. 5ara poder usar a*uellos valores para comparar con los o2tenidos e?perimentalmente es necesario convertir las unidades
/
0.239 cal J
multiplicando por
J / mol
a
cal / mol
:
Tabla III: Valores con$ertidos de parmetros termodinmicos. J / mol cal / mol armetros termodinmicos
−88.959 kJ / mol
∆G ∆S ∆ H
/ ∗
40.176 J K mol
−76.987 kJ / mol
−21.261 kcal /mol
/ ∗
9.602 cal K mol
−18.400 kcal / mol
Comparando los valores de la ta2la III con los valores de literatura: Tabla IV: comparaci*n datos e+perimentales con entre,ados por literatura.
0
armetros termodinmicos
-+perimental
Te*rico
#.@B"V
−21.261 kcal /mol
∆G ∆S
/ ∗
9.602 cal K mol
−18.400 kcal / mol
∆ H
Calculando el error e?perimental de cada medici,n: Tabla V: error e+perimental. armetros termodinmicos
#.@B8 V 4%".8@ %"."& 4"&.##
kcal / mol cal / ° C ∗mol kcal / mol
∆G
-rror e+perimental #.@8 #.8
∆S
[email protected]
∆ H
%%.B
Discusión Como se puede apreciar en la medici,n de la di+erencia de potencial se o2tuvo un error del #.@8 lo *ue indica *ue el procedimiento durante el transcurso del la2oratorio +ue el correcto $ por tanto los datos o2tenidos pueden ser considerados +idedignos0 lo *ue se puede corro2orar con el error o2tenido de la energía li2re de i22s0 el cual +ue de #.8 comprado con el valor de la literatura. Aun*ue en el caso de la entropía $ de la entalpía el error es ma$or0 llegando incluso so2re el � estos errores se pudieron de2er al hecho de *ue solo se supuso *ue se tra2a3, en condiciones est1ndares0 lo *ue inevita2lemente a+ect, a los resultados o2tenidos siendo la entropía la m1s a+ectada0 pues es dependiente de la temperatura0 mientras *ue la entalpía +ue a+ectada por el error de la entropía0 pues el c1lculo de la entalpía dependía del valor de la entropía0 como puede o2servarse en la ecuaci,n =&>. 5or otro lado al apreciar los resultados o2tenidos en los c1lculos de los par1metros termodin1micos de la pila0 se puede concluir *ue las semi4reacciones de la pila son +avora2les termodin1micamente0 pues tanto la energía li2re de i22s como la entalpía resultaron en valores negativos lo *ue indica *ue las reacciones son espont1neas $ e?erg,nicas respectivamente. )l valor de la entropía es positivo0 lo *ue indica *ue las reacciones tienden al desorden $ por ende las reacciones son +avora2les a la +ormaci,n de Pb
+2
$
Cu
0
.
Etra cosa *ue se pudo compro2ar es *ue la temperatura a+ecta induda2lemente a la di+erencia de potencial producido en la pila0 aumentando la di+erencia de potencial linealmente a medida *ue aumenta la temperatura0 aun*ue ca2e mencionar *ue este aumento de la di+erencia de potencial es en un rango pe*ueJo a pesar *ue la variaci,n de temperatura es alta0 siendo el rango de la di+erencia de potencial desde @#mV hasta
@&mV cuando la temperatura desciende desde los B#C hasta "C. )sto se vio re+le3ado en el gr1+ico reali9ado0 el cual presente una +unci,n lineal cu$a pendiente permite calcular la entropía de la pila $ la e?trapolaci,n a una temperatura de %< permite la o2tenci,n de la energía li2re de i22s en condiciones est1ndar. )n cuanto a lo *ue *uímicamente ocurría en la pila en el transcurso del e?perimento0 se puede mencionar *ue en el caso de *ue $o +uese una mol-cula de 52=GE8>% o2servaría como al ingresar a una red de sílice varias de mis mol-culas hermanas se co mien9an a partir en dos +orm1ndose electrolitos de 527% $ de GE84% *ue comien9an a atraerse $ repelerse de acuerdo a su carga. Despu-s de transcurrido cierto tiempo o2servo como se van acercando un cKmulo de muchas mol-culas de plomo *ue comien9an a despla9arnos manteni-ndose unidos. 'uego veo como se acerca un cKmulo de mol-culas de % $ de despla9arnos a trav-s de ellas con gran +acilidad $ velocidad hasta llegar a otro cKmulo de mol-culas de cloruro de potasio $ agar en el cual ingresamos $ nos despla9amos hasta llegar a otro sector en donde se encuentran mol-culas de sul+ato de co2re0 *ue corresponde al lugar en donde se encontra2a la mol-cula de CuSE@ *ue se mencion, anteriormente. )n este lugar nos acercamos a los electrolitos de Cu7% $ nos unimos a ellos en una proporci,n %:"0 lo *ue *uiere decir *ue por cada partícula de Cu7% presente en este lugar dos de nosotros nos unimos a este electrolito0 por lo *ue +ormamos una nueva partícula *ue es neutra $ nos dirigimos hacia el con3unto de mol-culas de co2re *ue ha2ían despla9ado a las mol-culas de sul+ato de co2re en un principio. A medida *ue varios de nosotros =ahora Cu#> nos despla9amos hacia este con3unto de mol-culas de co2re0 o2servo como van saliendo partículas de < 7 desde el cKmulo de mol-culas de lo o2servarían cada ve9 m1s lento a medida *ue macrosc,picamente desciende la temperatura a la misma ve9 *ue la intensidad en *ue se presenta el potencial el-ctrico disminu$e llegando a su punto m1s 2a3o en este e?perimento al llegar a "C0 por lo *ue estas mol-culas apreciarían como a esta
temperatura0 los electrolitos se despla9arían lentamente $ la corriente *ue +lu$e a trav-s de ellos es menos intensa $ un poco m1s lenta *ue cuando se esta2a a una temperatura de B#C0 pues la energía cin-tica a menor temperatura es menor.
Biblio+raf,a "/ .lema.rae.es6drae6NvalHpila %/ !)AU'I)U0 'OGG 5. A eneral Chemistr$ Lhermod$namics )?periment. Pournal o+ Chemical )ducation &&. p1g &84&@0 ".
