INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA
LABORATORIO DE ELECTROQUÍMICA Y CORROSIÓN PRÁCTICA NO. 1 “ELECTRÓLISIS”
PROFESOR: CASILLAS MUÑOZ ROBERTO GRUPO: 2PV51
EQUIPO:
SECCIÓN: 1
INTEGRANTES:
DÍAZ VAZQUEZ MARCO ANTONIO GATICA GÚZMAN JOSE MANUEL HERNÁNDEZ ANTÚNEZ MARÍA FERNANDA LUCIOTO RAMÍREZ MIGUEL MENDOZA CASTILLO IRIDIAN ESTEFANY ROMERO PADILLA CRISTOFER FECHA DE ENTREGA: 7 DE FEBREO DE 2018
MARCO TEÒRICO ELECTROQUÌMICA La Electroquímica es la ciencia que estudia el intercambio de energía química y eléctrica que se produce por medio de una reacción de óxido-reducción. La oxidación es la pérdida de electrones, mientras la reducción es la ganancia de los mismos. Las reacciones de óxido-reducción (redox), son aquellas en donde hay una transferencia de uno o más electrones. Electrólisis es el nombre que recibe el proceso mediante el cual la energía eléctrica se emplea para producir cambios químicos; mediante una reacción redox no espontánea, donde se hace pasar una corriente eléctrica. Se lleva a cabo en un contenedor llamado cuba electrolítica. A continuación se menciona la definición de algunos términos empleados en el proceso de electrólisis:
El electro depósito es el depósito catódico obtenido por el paso de una corriente eléctrica en una célula electrolítica. Un electrodo es el componente de un circuito eléctrico que conecta el cableado del circuito a un medio conductor como un electrolito. El electrodo positivo es llamado ánodo y el electrodo negativo es llamado cátodo. Es la sustancia iónica que en solución se descompone al pasar la corriente eléctrica. El electrolito puede El electrolito considerarse como un depósito de iones y un medio conductor.
PROCESO ELECTROLÌTICO El proceso electrolítico consiste en hacer pasar una corriente eléctrica a través de un electrolito, entre dos electrodos conductores denominados ánodo y cátodo. Donde los cambios ocurren en los electrodos. Una reacción de electrólisis puede ser considerada como el conjunto de dos medias reacciones, una oxidación anódica y una reducción catódica. Las reacciones de oxidación y reducción ocurren simultáneamente, pero por separado, pues ocurren en diferentes puntos. La fuente no produce electrones, sólo los transporta de un lugar a otro, así los electrones que la fuente suministra al cátodo, provienen del ánodo. La función de la fuente es elevar la energía potencial de los electrones del cátodo. La naturaleza de las reacciones del electrodo depende de la diferencia de potencial o voltaje aplicado.
LEYES DE FARADAY La ley de Faraday constituye el principio fundamental de la electrólisis. Con la ecuación de esta ley se puede calcular la cantidad de metal que se ha corroído o depositado uniformemente sobre otro, mediante un proceso electroquímico durante cierto tiempo, y se expresa en los siguientes enunciados: “La cantidad de cualquier elemento (radical o grupo de elementos) liberada ya sea en el cátodo o en el ánodo durante la electrólisis, es proporcional a la cantidad de electricidad que atraviesa la solución”. “Las cantidades de elementos o radic ales diferentes liberados por la misma cantidad de electricidad, son proporcionales a sus pesos equivalentes”.
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TÉRMINOS MATEMÁTICOS PARA LAS LEYES DE FARADAY ∗∗ =
∗
Donde: W: Cantidad de metal que se ha corroído o depositado (g). I: corriente eléctrica (A). T: Tiempo que dura el proceso (s) M: Masa atómica del proceso (g/mol) n: Valencia del metal F: Constante de Faraday = 96500 (A*s/mol)
CLASIFICACIÓN DE LOS ELECTROLÍTOS ELECTRÓLITOS
FUERTES
DÉBILES
ÁCIDOS FUERTES
ÁCIDOS DÉBILES CH 3COOH, CH 3CH 2CH 2OH
(HCl, H 2SO4 , HNO3 )
NO ELECTRÓLITOS
BASES FUERTES BASES DÉBILES H 2O SALES (NaCl, KCl, LiCl)
ELECTRÓLITOS FUERTES: Ionizan totalmente en solución acuosa al pasar corriente eléctrica. ELECTRÓLITOS DEBILES: Son los que se ionizan parcialmente en solución acuosa al pasar corriente eléctrica. NO ELECTRÓLITOS: Sustancias que no conducen la corriente eléctrica ni se disocian en solución acuosa. 3
OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA OBJETIVO GENERAL El alumno identificará el fenómeno de la Electrólisis mediante la construcción de un sistema electroquímico a escala laboratorio y planteará su mecanismo. OBJETIVOS ESPECIFICOS a) Armar un sistema electroquímico para realizar la electrólisis. B) Clasificar las sustancias en solución como conductoras (electrólito) o no de la electricidad. c) Plantear el mecanismo de conducción de los electrólitos en corriente alterna y en corriente directa. d) Argumentar la ausencia de conducción en los no electrólitos. e) Reconocer los diferentes estados de agregación de las sustancias producidas por las reacciones de reducción en el cátodo y de oxidación en el ánodo.
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA MATERIAL Y EQUIPO 1.- Conexiones eléctricas, alambres con puntas de caimán 2.- Un foco con base de 40 Watts-125 V (CA) 3.- Un multímetro analogico o digital 4.- 2 cristalizadores 5.- 2 vasos de precipitados de 250 mL 6.- Una fuente de CD 7.- Una fuente de CA
SUSTANCIAS Y SOLUCIONES A) Agua destilada B) Ácido sulfhídrico al 98% y en solucion al 10% C) Ácido acetico glacial y en solución al 10% D) Alcohol etílico E) Nitrato de potasio F) Solucion indicadora de fenolftaleina G) Solucion de sulfato de sodio: 10% PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL a) Clasificación de las sustancias y soluciones El próposito de este punto es clasificar las diferentes sustancias, que el profesor le entregará, como electrólitos, debiles o fuertes y no electrólitos mediante mediante el uso de un sistema electroquímico que permita probar la continuidad eléctrica a traves de ellas. 4
b) Verificación de conducciñón de diferente tipo de corriente eléctrica (CD y CA) Ademas de observar y comprobar si las soluciones electrolíticas conducen lo mismo la corriente alterna que la directa y explicarse como lo hacen. Antes de esta prueba agregar a la solucion de sulfato de potasio 5 gotas de indicador fenoftaleina como identificador de un medio alcalino (aparece una coloración rosa) o de un medio ácido (no aparece coloración adicional). Para verificar si los electrolitos conducen o no la corriente alterna y la directa, probar la solución de sulfato de sodio primeroen el circuito de corriente alterna y despues montar el siguiente sistema para observar lo que le sucede al aplicarse corriente directa.
SECCIÓN DE CALCULOS Y TABLAS TABLA NO. 1
EN ESTA TABLA SE PRESENTA CADA UNO DE LOS ASPECTOS QUE SE PUDIERON OBSERVAR DURANTE LA EXPERIMENTACIÓN PARA CADA SUSTANCIA DE TRABAJO. EMPLEANDO CORRIENTE ALTERNA. ELECTRÓLITO SUSTANCIA
OBSERVACIONES FUERTE
DÉBIL
NO
HIDRÓXIDO DE SODIO
La intensidad de corrienete en el foco es intensa, por lo que esta solución es un electrólito fuerte. El electrodo color verde funciona como ánodo ( se oxida) y el amarillo como cátodo (se reduce).
AGUA DESTILADA
No es posible efectuar la electrolisis, puesto que, la solución no es capaz de transferir los electrones ni de disociarse, por lo que es una solución no electrolítica.
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SUSTANCIA
ELECTROLITO FUERTE
H2o
AGUA H+ + OH-
DÉBIL
OBSERVACIONES NO Para esta solución el electródo amarillo (clavo Izq.) al efectuar la transferencia de electrones se comporta como ánodo expulsando dichos electrones fuera de él con dirección hacia el electródo color verde (clavo Der.); esto se logra observar por la oxidación efectuada en el electródo amarillo. El agua se comporta como un base puesto que al disociarse transfiere iones OH-. Siendo una base se considera como electrolito débil.
ÁCIDO ACETICO C/AGUA DESTILADA
Para esta solución el clavo conectado a la conexión amarilla (Izq.) se comporta como ánodo, efectuandose en el la oxidación ( pérdida de electrones) y por ende el clavo de la conexión verde (Der.) como cátodo. El ácido acetico (ácido débil) al reaccionar con agua (base débil) transfiere un protón de hidrógeno al agua para esta formar el ión hidronio (H3O+).Siendo una reacción entre ácido débil y base débil, la solución es un electrólito débil.
ÁCIDO ACETICO SIN AGUA DESTILADA
Presenta los mismos efectos respecto a electrodos que el ácido acetico con agua, solo que para estas solución se observa una intensidad en el foco un poco mayor que la de CH 3OOH con agua, sin embargo, en ausencia de agua el CH 3OOH sigue siendo un ácido débil y por ende la solución es un electrólito débil. 6
SUSTANCIA
ELECTROLITO FUERTE
HIDROXIDO DE SODIO CON FENOLFTALEÍNA
DÉBIL
OBSERVACIONES NO Se logra observar que la intensidad de corriente en el foco es baja. Sin embargo al agregar las 5 gotas de indicador fenolftaleína, dicha sustancia comienza a virar a color rosa, demostrando asi, que la solucion NaOH es una base. De esta manera coincide el concepto de electrólito débil para esta solución, la cual es una base.
SULFATO DE COBRE
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TABLA NO. 2 EN ESTA TABLA SE PRESENTA CADA UNO DE LOS ASPECTOS QUE SE PUDIERON OBSERVAR DURANTE LA EXPERIMENTACIÓN PARA CADA SUSTANCIA DE TRABAJO. EMPLEANDO CORRIENTE DIRECTA. SUSTANCIA
ELECTROLITO FUERTE DÉBIL
OBSERVACIONES NO
SULFATO DE COBRE
En esta solución se logra observar que existe electrodeposición. De tal manera que al suministrar la CD el CuSO4 se disocia en Cu + y en SO4- por lo que los iones Cu se desplazan a través de la solución como Cu+ hacia el cátodo, en el cual se depositan en estado sólido.
SULFATO DE SODIO
Se pudo observar como en determinado tiempo la solución viró a un color amarillento, como causa de la oxidación de los electrodos y el desgaste de la solucion electrolitica. Para esta soluci¡ón se consideran electrodos que no interactuan en la reacción (inhertes). Al suministrar la corriente directa el Na 2SO4 se disocia, desplazandose los iones SO4- hacia el ánodo (+) y los iones sodio (Na +) hacia el cátodo (-), observando asi la oxidación en el ánodo.
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TABLA NO. 2 EN ESTA TABLA SE MUESTRAN LOS VALORES DE LOS VOLTAJES OBTENIDOS CON EL MULTÍMETRO UTILIZANDO HIERRO (CLAVOS), PLATA Y COBRE EN ALGUNAS SOLUCIONES.
SUSTANCIA
VOLTAJE CLAVO-ALUMINIO
CLAVO-COBRE
SULFATO DE SODIO (NaSO4)
205.4 µV
634.3 µV
ÁCIDO ACETICO (CH3COOH)
5.4 µV
393.3 µV
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CUESTIONARIO 1. Explique qué ocurre cuando la solución de sulfato de sodio se conecta a la corriente alterna (CA) (fundamente su respuesta).
2. Explique el fenómeno que ocurre cuando se conecta la misma solución en corriente directa (CD) (fundamente su respuesta). Escriba las reacciones que se llevan a cabo en el ánodo y en el cátodo para este fenómeno
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OBSERVACIONES GENERALES Durante la experimentación se logró observar que cada sustancia de acuerdo a su naturaleza química (ácidos, bases, sales), es capaz de transferir energía eléctrica cuando se le es suministrada. Esto es posible comprenderlo al analizar el comportamiento que presenta una solución química en presencia de energía eléctrica (sistema electrolítico), como se aplicó en la sesión. Mediante este sistema se puede observar la capacidad que tienen los electrólitos de transferir energía eléctrica (electrones) y de poder disociarse para dar lugar a iones (con sus respectivas cargas eléctricas), que a su vez se les puede clasificar por la alta o baja capacidad que tienen de transferir dicha energía o de disociarse, fenómeno que se presenció y se comprendió de manera clara en la experimentación con la intensidad de corriente transferida al foco. Así mismo se logró observar que en el proceso electrolítico se llevan a cabo dos reacciones, una de oxidación (presenciada por el color amarillento en el electrodo positivo) y una reducción (observada en el cátodo). Otro aspecto observado que cabe destacar es la diferencia en cada fenómeno efectuado cuando se suministra corriente alterna y corriente directa, un claro ejemplo de esto se puede interpretar con el experimento con la solución de sulfato de cobre, en la cual se utilizaron electrodos del tipo activos, a diferencia de los demás experimentos en los que se usaron electrodos inertes. En este experimento se puede observar que cuando se le suministra energía eléctrica mediante un generador de corriente directa, se logra efectuar de manera eficiente la separación de la sal quien es el medio electrolítico en presencia de electrodos metálicos de cobre, para poder obtener productos, los cuales para esta solución son los iones de Cu depositados en el cátodo en estado sólido, observando así una deposición de cobre sobre el cátodo. Finalmente, para cada experimentación se puede generalizar que la naturaleza del fenómeno efectuado en los electrodos dependerá del tipo de corriente que se le esté suministrando
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CONCLUSIONES
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