Propiedades Electroquímicas Electroquímicas de los Elementos del Grupo 1B (Cu, Ag y Au)
Mario Arnías, María Dávila y Rosangélica Sabbagh. Física General II, Departamento de Física Facultad Experimental de Ciencias y Tecnología, Universidad Universidad de Carabobo. Valencia-Venezuela. Valencia-Venezuela. Se calcula la fem estándar y la energía libre de Gibbs, de una celda compuesta por un ánodo de Fe y cátodos de Cu, Ag y Au, en condiciones estándar, y se estudia la variación de estas propiedades en función del elemento que se use como como cátodo. Empleando datos experimentales, el el valor obtenido para la fem fem estándar fue de -0.251V, 0.028V, y 0.589V para los cátodos de Cu, Ag y Au, respectivamente, y los valores de la energía libre de Gibbs fueron de 24217.735J/mol, 24217.735J/mol, -2701.58J/mol -2701.58J/mol y -113659.33J/mol -113659.33J/mol para los cátodos de Cu, Ag y Au.
es igual al trabajo eléctrico realizado por el sistema sobre los alrededores. I.
Introducción:
La electroquímica es la rama de la química que estudia la transformación entre la energía eléctrica y la energía química. Los procesos electroquímicos son reacciones redox (oxidación-reducción) en donde la energía liberada por una reacción espontánea se convierte en electricidad o donde la energía eléctrica se aprovecha para inducir una reacción química no espontánea.
En esta investigación se comparan los valores obtenidos para cada propiedad electroquímica en los diferentes cátodos conforme se desciende en el grupo 1B. II.
Objetivos:
El objetivo principal de la investigación consiste en establecer una relación entre el aumento del número atómico de los elementos en el grupo 1B y sus propiedades electroquímicas.
Una celda galvánica o voltaica es un dispositivo experimental para generar electricidad mediante una reacción redox espontánea (se las llama así en honor de los científicos Luigi Galvani y Alessandro Volta, quienes fabricaron las primeras celdas de este tipo), Los componentes fundamentales de las celdas galvánicas se ilustran en la Figura (1). El Potencial Estándar de Reducción es el voltaje en un electrodo asociado con una semirreacción de reducción cuando todos los solutos son de 1 M y todos los gases están a 1atm. La Fuerza Electromotriz de una celda es la diferencia de voltaje entre los dos electrodos. La disminución de la energía libre de un sistema en una reacción redox espontánea
Figura 1: Componentes fundamentales de una celda galvánica.
III.
Fundamentos Teóricos:
Por convención, la fem estándar de la celda, que resulta de las contribuciones del ánodo y del cátodo, está dada por: (1) La fem medida ( ) es el voltaje máximo que la celda puede alcanzar, por lo tanto, el trabajo eléctrico hecho, que es el trabajo máximo que se puede hacer, está dado por el producto de la carga total y la fem de la celda, y la energía libre de Gibbs, es la cantidad máxima de trabajo útil que se puede obtener de una reacción, por lo tanto:
V.
Procedimiento Experimental:
Para realizar el experimento se realiza un montaje como se muestra en la figura (2). El voltaje medido por el voltímetro (figura 3), es proporcionado por la reacción química que se produce entre el hierro y los diferentes metales (Cu, Ag, Au). Se mide la diferencia de potencial ( de cada una de las celdas y se establece una relación entre el aumento del número atómico y el potencial estándar de la celda. La energía libre de Gibbs se determina calculando la cantidad de electrones transferidos en cada una de las siguientes reacciones redox:
(2) Donde:
IV.
1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) 13) 14) 15)
Equipos e Instrumentos:
2 Vasos de precipitado de 250 mL 1 Conexiones caimán-caimán 1 Tubo de vidrio doblado en U 1 Multímetro Digital (Voltímetro) 1 Algodón 10cm Lámina de Cobre 10cm Lámina de Plata 10cm Lámina de Oro 10cm Lámina de Hierro 50 mL de Sulfato Cuproso Cu2SO4 50 mL de Sulfato Férrico Fe2(SO4)3 50 mL de Nitrato de Plata AgNO3 50 mL de Sulfato Auroso Au2(SO4)3 15 g de Cloruro de Potasio KCl 2 g de agar agar
Luego, los valores obtenidos para el potencial estándar y la cantidad de electrones transferidos para cada reacción se sustituyen en la ecuación (2), a fin de obtener la energía libre de Gibbs. A partir de los datos obtenidos se realiza un gráfico del potencial estándar y la energía libre de Gibbs en función del número atómico y se realizan conclusiones en función del resultado.
Figura 2: Montaje de la celda galvánica.
0,8 0,6
) V 0,4 ( a d l 0,2 e C o 0 E
Eo Celda
-0,2 0
50
-0,4
VI.
Resultados y Análisis:
El potencial estándar de cada celda conformada como se muestra en la figura (1) y (2) se midió usando el voltímetro y luego de realizar el procedimiento explicado en la sección V, se obtuvieron los resultados mostrados en la tabla (1). Elemento
100
Número Atómico (Z)
Gráfico 1: Gráfica del del número atómico Figura 3. Multímetro para medir la diferencia de potencial de la celda.
Lineal (Eo Celda)
de la celda en función
50000 ) l 0 o m 0 / J ( -50000 a d l e c G-100000
-150000
50
G Celda
100
Lineal (G Celda) Número Atómico (Z)
Z (J
Cobre (Cu)
29
-0.251
1
24217.735
Plata (Ag)
47
0.028
1
-2701.58
Oro (Au)
79
0.589
2
-113659.33
Tabla 1: Potencial estándar y energía libre de Gibbs de la celda en función del número atómico.
Con los resultados obtenidos en la tabla (1) y usando el paquete graficador de Microsoft Excel se construyen los gráficos (1) y (2) para el potencial de la celda y la energía libre de Gibbs versus el número atómico para una celda con un ánodo de Fe y Cátodos de Cu, Ag y Au:
Gráfico 2: Gráfica de la energía libre de Gibbs en función del número atómico
VII.
Conclusiones y Recomendaciones:
En base a los resultados se puede concluir lo siguiente: Para el caso del Au y la Ag ocurre una reacción del tipo espontánea por ser un E°celda
0
lo que demuestra que la
diferencia de potencial (del ánodo
y los
cátodos) hace moverse los electrones y suele llamarse FEM de la célula o potencial de célula. Es importante resaltar que a mayor E°celda mayor producción de electricidad comprobando directamente
así
que
proporcional
atómico en el grupo 1B
la
Fem al
es
número
Para el caso del cálculo de la energía libre de
del análisis de las gráficas que fueron
Gibbs arrojo como resultado que el Au y la
presentadas en esta investigación.
Ag cuando reaccionan con el Fe la reacción es del tipo espontánea y para el Cu es no espontánea, ya que el potencial estándar de reducción del Fe (hierro) es mayor. Por ser el Au y la Ag reacciones espontáneas se produce una diferencia de potencial sin necesidad de aplicar un trabajo externo y la energía libre de Gibbs es inversamente
según aumenta el valor del periodo en la tabla periódica se puede predecir que el E° celda del Roentgenio (el elemento ubicado debajo del Au) va a ser mayor que el de los elementos que lo preceden siendo así este elemento el que más favorece la reacción electroquímica dentro del grupo 1B. Es destacable que existe una relación entre los resultados obtenidos y lo que se observa en la vida cotidiana. Es decir, lo más correcto para producir la electricidad seria usar Au, sin embargo por su alto costo se usa es el Cu, como conductor de la electricidad, al igual que la Ag se dice que es la mejor conductora de electricidad, pero ocurre lo mismo que en el caso del Au, es muy costosa. No obstante, en una situación ideal se usaría el oro Au en una celda galvánica como mejor elemento para producir la electricidad. Finalmente, se comprobó que existe una el
aumento
1) Chang R., Química, Décima Edición, McGraw Hill (2010) 2) Serway R. y Jewett J, Física para Ciencias e Ingeniería, CENGAGE
Learning (2008) Química General, Prentice Hall
En resumen, como el E°celda va aumentando
entre
Bibliografía
3) Petrucci R, Harwood W y Herring F,
proporcional al número atómico.
correspondencia
VIII.
del
número atómico en el grupo 1B y las propiedades electroquímicas que presentan los elementos dentro de dicho grupo al formar una celda galvánica con un ánodo de Fe, pudiendo ser predichas esas propiedades para otros elementos con número atómico mayor a los 3 elementos estudiados, a través
(2003).
