PRÁCTICA 7a ELECTROQUÍMICA: CELDAS GALVÁNICAS te rmin inar ar ésta és ta prác pr áctitica ca el expe ex peri rime ment ntad ador or debe de be habe ha ber r 1. Comp Compet eten en! !a" a". Al term logrado : 1.1. Establecer una relación comparativa sobre el poder oxidante de varios cationes. 1.2. Establecer una relación comparativa sobre el poder reductor de varios metales 1.3. Realiar el monta!e de celdas galvánicas " veri#icar lo $ue ocurre con el volta!e al variar las concentraciones de las soluciones conductoras. 1.%. Realiar cálculos teóricos sobre celdas galvánicas& compararlos con los valores experimentales " buscar explicación a las di#erencias.
#. A"peto" te$%!o" 'a electro$u(mica se encarga de estudiar las relaciones $ue existen entre la energ energ(a (a eléct eléctri rica ca " la energ energ(a (a $u(m $u(mic ica. a. En los los proce proceso soss elect electro$ ro$u( u(mi mico coss se presentan dos casos: a. A$ue A$uelllos los en los los cual cuales es los los elec electr tron ones es tran trans# s#er erid idos os en reac reacci cion ones es $u(micas espontáneas espontáneas son aprovechados aprovechados como energ(a eléctrica. eléctrica. Estos procesos se denominan galvánicos o voltaicos. voltaicos. b. A$uel A$uellos los donde donde la energ energ(a (a eléctr eléctrica ica obli obliga ga a $ue ocurran ocurran reacci reaccione oness $u(micas no espontáneas " $ue se denominan procesos electrol(ticos )lisis * romper+. Ambos Amb os son so n #enó #e nóme meno noss de oxid ox ido o , redu re ducc cció ión& n& pero pe ro son so n cont co ntra rari rios os en cuanto a la causa " e#ecto.
C AU S A
E &E CTO
NOM'RE CELDA
- u(m ic a
El é ctr i c o
a l vá n ica
E l é c tr i c a
- u (m i c o
Ele c tr o l (tic a
SÍM'OLO
+
-
'os procesos electro$u(micos se realian en celdas conocidas como electro$u(micas o galvánicas o como celdas voltaicas " no son más $ue una manera de trans#ormar energ(a $u(mica en eléctrica& aprovechando la espontaneidad de algunas reacciones de oxido , reducción. /or e!emplo si se introduce una lámina de 0inc en una solución acuosa de una sal de cobre )sul#ato& nitrato etc.+ la lámina de 0inc se consume )oxida+ pasando a la solución como 0n2 " en el #ondo del recipiente aparece cobre metálico o u sólido& )resultante de la reducción+ " $ue antes estaba disuelto como ión cprico. 0n )s+
⇒
0n2
u2 2 e4
2 e4 u )s+
⇒
)5emi , reacción de 6xidación+ )5emi , reacción de Reducción+
77777777777777777777777777777777777777777777777777777777 0n )s+
u 2
⇒
0n 2 u )s+
)Reacción de 6xido , Reducción+
Además se produce un pe$ue8o aumento en la temperatura de la solución& lo $ue indica $ue la reacción de oxidación , reducción es exotérmica. uando los reactivos no se colocan en contacto directo& se puede aprovechar la energ(a $u(mica como energ(a eléctrica al obligar a los electrones trans#eridos a circular a través de una alambre conductor &tal como se ilustra en la #igura 1& donde aparece el es$uema de una elda alvánica completa : a. on puente salino. b. on vaso poroso
e4
e4
u
u 2
0n
56 %24
0n 2
56 %24
9igura 1a.
elda alvánica con puente salino e4
e4
u
0n
u 2 56 %24
0n 2 56 %24
9igura 1b. elda alvánica con vaso poroso 6bserve $ue la corriente de electrones va desde el electrodo de 0inc $ue se oxida )pierde electrones+ hacia el electrodo de cobre $ue se reduce )gana electrones+. Este #lu!o de electrones constitu"e la corriente eléctrica $ue se puede medir " aprovechar. •
oda reacción espontánea de óxido , reducción se explica teniendo en cuenta $ue existen sustancias $ue se oxidan más #ácilmente $ue otras o lo $ue es igual existen sustancias $ue se reducen más #ácilmente $ue otras. En el electrodo donde se produce la oxidación );nodo+ se origina el #lu!o de electrones $ue por el circuito externo llegan hasta donde se mide la corriente por medio de un amper(metro o de un volt(metro " se aprovecha como corriente directa o el #lu!o de electrones puede llegar hasta el electrodo donde se produce la reducción )átodo+. El circuito se completa por el movimiento de iones a través de las soluciones pues a medida $ue ocurren las semi , reacciones de oxidación " reducción se crea un exceso de cargas positivas alrededor del ;nodo )en el caso de la #igura 1& debido a la #ormación de los iones 0n 2 + " un de#ecto de cargas positivas alrededor del cátodo )en el caso de la #igura 1& debido al consumo de u 2 + &#enómeno $ue polariar(a los dos compartimientos o semi , celdas e impedir(a el paso de la corriente.
/ara mantener la neutralidad eléctrica de las soluciones pasan cationes " aniones a través de las membranas )vaso poroso o puente salino+ en la cantidad " sentido necesarios para $ue la celda siga #uncionando. •
•
l )o de >?6 3 o de ?@ % l+. 'os iones > o ?@ % se desplaan hacia el cátodo " los iones l 4 o ?6 3 4 hacia el ánodo& con el #in de neutraliar las cargas producidas o reemplaar las gastadas por los #enómenos de reducción " oxidación.
S(m)o*o +e *o" e*et%o+o" : odos los electrodos )por acción de causa " e#ecto+ poseen signos contrarios en los circuitos interno )solución+ " externo )eléctrico+& "a $ue si el electrodo es )+ en el circuito externo como causa& en el circuito interno atrae a los iones negativos como e#ecto. 'a polaridad de un electrodo la determina el signo $ue posea como causa. /ara una celda galvánica )4+
)+
E&ECTO
)+ )+ )+ )+
;nodo )polaridad negativa por la causa+
)+ )4+ )4+ )+ )4+ )4+ )+ )4+ )4+ )+ )4+ )4+ )+ )4+ CAUSA
9igura 2. /olaridad de los electrodos en una elda alvánica. Electrodos 5ignos ircuitos
@a" dos @a" dos @a" dos
;nodo as Externo
átodo enos Bnterno
/rimero /rimero /rimero
;nodo as Externo
Reaccione s
@a" dos
6xidación
Reducción
/rimero
6xidación
*
εc
εa
/ero cuando la concentración de todas las especies tanto del cátodo como del ánodo son 1 m )1 molal+& la #.e.m obtenida se llama /otencial Estándar " se representa por ε C ) ε C * ε C c ε C a+ omo no es posible conocer el potencial absoluto $ue le corresponde a cada electrodo& debido a $ue es imposible separar las semi , reacciones para medirles su potencial& se utilia una semi , celda de re#erencia a la $ue por convención se le asigna un potencial estándar de cero. Esta semi , celda de re#erencia está #ormada por un electrodo de platino sumergido en una solución 1 m de @ " sobre el cual se burbu!ea @ 2 )g+ a 1 atm ) ε C @ D @ 2 * +
0n
@2
/t 0n
2
)1 m+
@
)1 m+
9igura 3.
⇒
0n 2 )ac+
2 e4
2 @ )ac+ 2 e 4 ⇒ @ 2 )g+ 7777777777777777777777777777777777777 0n )s+ 2 @ )ac+
⇒
0n 2 @ 2 )g+
5iendo * & entonces 0n )s + ε C )@ D @ 2 +
⇒
ε
* .FG H
0n 2 )ac+ 2 e 4
ε
C *.FG H
Ta)*a 1 . Algunos /otenciales Estándar de 6xidación. Sem! , Rea!$n > ⇒ > 1e 4 a ⇒ a 2 2e 4 g ⇒ g 2 2e 4 Al ⇒ Al 3 3e 4 0n ⇒ 0n 2 2e 4 d ⇒ d 2 2e 4 /b ⇒ /b 2 2e 4 @ 2 ⇒ 2 @ 2e 4 u ⇒ u 2 2e 4 % 6@ 4 ⇒ 6 2 2 @ 2 6 % e 4 2 @g ⇒ @g 22 2e 4 Ag ⇒ Ag 1 1 e 4 2 Kr 4 ⇒ Kr 2 2 e 4 2 r 3 F @ 26 ⇒ r 26 F24 1% @ G e 4 n 2 % @ 26 ⇒ n6 % 4 J @ L e 4
Poten!a* -Vo*t!o" 2.I2 2.JF 2.3F 1.GG .FG .% .13 . 4 .3% 4 .% 4 .FI 4 .J 4 1.F 4 1.33 4 1.L
uando una semi , reacción de oxidación posee un potencial de oxidación positivo& signi#ica $ue las especies involucradas en los reactivos se oxidan
más #ácilmente $ue el hidrógeno. 5( es negativo esto $uiere decir $ue el hidrógeno se oxida más #ácilmente 'as celdas voltaicas se representan en #orma simpli#icada as(: 5e coloca primero el s(mbolo del electrodo anódico " a continuación las especies encontradas en esa semi , celda& separando por una ra"a oblicua las $ue se encuentran en distinta #ase " por una coma las $ue se encuentran en la misma #ase& luego dos l(neas oblicuas paralelas en representación del puente salino& luego las especies encontradas en la semi , celda catódica& luego una ra"a oblicua " #inalmente el s(mbolo del cátodo. 'a representación simpli#icada o notación de celda& para las la #iguras 1 " 3 ser(an: 0n D 0n 2 )1 m+ DD u 2 )1 m+ D u 0n D 0n 2 )1 m+ DD @ )1 m+ D @ 2 )1 atm+ D /t omo el potencial de una celda depende de la concentración de los productos " reactivos& cuando alguna de ellas sea di#erente de 1m& es necesario cuanti#icar el e#ecto de ese cambio& por medio de la siguiente expresión. )Ecuación de ?ernst+ ε = ε
°
−
RT nF
ln LAM ( pc )
: /otencial de la celda cuando las especies de la solución tienen una determinada concentración. ε C :/otencial estándar de la celda )ver tablas+ n:?mero de electrones involucrados )igualados+ & bien sea en la semi , celda de oxidación o de r educción 'A )pc+: Es la le" de acción de masas en términos de concentración molal para los iones " de presión parcial en atmós#eras para los gases. 5( ha" sólidos se les asigna una actividad * 1. R: Es la constante de los gases ideales: )J.31% Mulio D mol C>+ : emperatura en >elvin. 9: 9aradio: IGL oulombios: IGL Mulio D Holtio. ε
A 2LC la ecuación de ?ernst se trans#orma en: ε = ε
/. E0!po 2 %eat!3o".
°
−
0.0591 n
log LAM ( pc)
E$uipo. • • • • • • •
G ubos de ensa"o. 2 KeaNers de 2 ml. 1 Holt(metro )ult(metro +. ables de conexión )2 cc " 2 cb+. /inas de conexión. ubo en =. /apel de li!a.
Reactivos. • • • • • • • • • • •
g& 0n& u )trocitos+. Electrodos de u& 0n& " )gra#ito+ g)?6 3+ 2 .1 m. 0nl 2 .1 m. 4 0nl 2 )sólido+ u56 % .1 m. 0n56% .1 m. u56 % 1m. ?@ %6@ G . >l. n6 2 )sólido+ ?@ %l )sólido+
4. Pa%te e5pe%!menta*. 4.1.
En el cuadro cada nmero indica un tubo de ensa"o. olocar en cada tubo de ensa"o 1 ml de solución .1 m de la sal " un trocito de metal $ue $uede sumergido dentro de la solución& de acuerdo como se indica en el cuadro siguiente.
METAL M6 SAL g)?6 3+ 2 .1 m 0nl 2 .1 m 3 u56 % .1 m L
n
C
1
2 %
NOTA: /uede reemplaar las sales por cual$uiera otra disponible en el laboratorio pero cuidando de utiliar el elemento metálico correspondiente. 4.#. •
•
•
• •
•
• •
•
onta!e de la celda 0n )s+ D 0n 2 ).1 m+ )llamada /ila de
DD u 2 ).1 m+ D u )s+
'impiar " #rotar con papel de li!a " luego lavar con agua destilada & una lámina de 0inc " otra de obre & $ue servirán como electrodos. . En sendos beaNers colocar unos 1 ml de solución .1 m de 0n56 % " de u56 % .1 m Bntroducir en el beaNer respectivo la lámina de 0inc " de obre " conectarlos a los terminales del volt(metro utiliando cables caimán , banana& tal como se muestra en la #ig. 1 de los aspectos teóricos. .edir el volta!e. /ara cerrar el circuito se debe utiliar el puente salino $ue debe prepararse previamente como se indicó en la parte teórica. errar el circuito " medir el volta!e producido por esta celda. ?o sumer!a el cable conector en la solución& solo sumer!a la respectiva lámina metálica )electrodo+ .5( al cerrar el circuito el volt(metro marca volta!e negativo& invierta las conexiones.
4./.
6pcional $ue unos experimentadores traba!en con la celda %.2 " otros con la %.3. •
Al )s+ D Al 3 ).1 m+ DD u 2 ).1 m+ D u )s+ /roceder como en el caso %.2.
4.4.
onstrucción de la pila de 'eclanchO& comercialmente la pila seca $ue en sus diversas presentaciones produce un volta!e de 1.L voltios. •
olocar dentro de un vaso de precipitados )beaNer+ o en un vaso desechable pe$ue8o& una mecla de 1.3F gr de 0nl 2& .JF gr de n6 2 &.L% gr de ?@ %l ) o sea &1 mol4gr de cada sustancia+&
•
•
•
• •
homogeniar la mecla " luego agregar aserr(n de madera en cantidad su#iciente para cubrir los dos electrodos & uno de gra#ito " el otro de inc& $ue se colocan verticalmente en la mecla & $ue previamente se ha homogeniado con el aserr(n . E#ectuar las conexiones de los electrodos al volt(metro& de manera similar a lo realiado en las anteriores celdas galvánicas. edir el volta!e. Agregar L m' de @ 26 para #avorecer la movilidad de los iones& homogeniar " medir el volta!e.
PREIN&ORME.
IN&ORME.
2 .A partir de las reacciones de la pregunta anterior escriba las semi , reacciones correspondientes& balanceadas másica " eléctricamente. onsultar el potencial de oxidación , reducción de cDu de ellas. 3. 6rdene los etales utiliados en la parte %.1& de acuerdo a su poder reductor& en #orma decreciente& segn los resultados experimentales. %. 6rdene los cationes metálicos utiliados en la parte %.1& de acuerdo a su poder oxidante& en #orma decreciente& segn los resultados experimentales. . L. 5egn los resultados experimentales de la parte %.1& ser(a correcto almacenar una solución de 5ul#ato prico en un recipiente #abricado con 0incP G. 5egn los resultados experimentales de la parte %.1& ser(a correcto almacenar una solución de ?itrato prico en recipiente #abricado con gP F. alcule la #.e.m de la siguiente pila galvánica: d )s+ D d 2 ). 1 m+ DD /b 2 ).2 m+ D /b J. 5( a una bater(a de /b& se le extrae corriente de .1 amperios durante L horas Quál es la cantidad de /b $ue se trans#orma en /b56 %P
DATOS: Amperio * oul D seg 1 9aradio * IGL oul. 1 9aradio es la carga eléctrica $ue contiene el nmero de Avogadro de electrones o sea $ue trans#orma 1 e$uivalente , gramo de sustancia. I. ual es la reacción de la pila de 'eclanché. 1. Expli$ue cuáles competencias teóricas logró desarrollar al realiar e in#ormar sobre celdas galvánicas. 6perativamente aprendió algoP 11. onclu"a sobre las di#icultades $ue presentó ésta práctica " sobre sus #ortaleas en el proceso de aprendia!e. 'a utilidad de ésta experiencia.
