INFORME FIQUI electroquimica

INFORME N 14- "ELECTROQUIMICA

RESUMENLa prctica fue realizada bajo las siguientes condiciones: Temperatura 296K, Presin 756 mmHg y una Humedad Relativa igual a 96%.El objetivo de esta prctica fue estudiar la ecuacin de Nernst aplicada a la celda electroqumica (Zn/Zn+2 (0.1M) // Cu+2 (0.1M) /Cu ),a diferentes concentraciones as como el estudio de la ley de Faraday.Para estudiar la ecuacin Nerst empleamos una celda o pila galvnica, la cual consiste de dos electrodos diferentes inmersos en soluciones que contienes sus iones, en donde la energa que se genera proviene de la diferencia de potencial electroqumico que existe entre ambos electrodos. Y para estudiar la ley de Faraday trabajamos con una celda electroqumica.De las pruebas realizadas se obtuvieron los siguientes datos:El potencial de celda para el sistema electroqumico formado por soluciones de CuSO4(0.1M) y ZnSO4(0.1M) fue de 1080Mv,por soluciones de CuSO4(0.01M) y ZnSO4(0.1M) fue de 1070Mv y por soluciones de CuSO4(0.001M) y ZnSO4(0.1M) fue de 1041Mv, obtenindose 1.85, 0 y 1.23% de error respectivamente, respecto a los potenciales tericos(1100Mv,1070Mv y 1054mv) obtenidos cuando la actividad se considera igual a la concentracin en la ecuacin de Nerst y 1.85,2.80 y 5.66% de error respectivamente, respecto a los potenciales tericos(1100,1099.98 y 1099.95mV) cuando se consideran los coeficientes de actividad en la ecuacin de Nerst.Experimentalmente se obtuvo que la masa de hidrogeno liberado fue de 0.00038g con un error porcentual de 0.027% de error respeto al terico (0.00037g).De lo anterior se puede concluir que en una celda galvnica a menos concentracin de una de las soluciones el potencial ser menor y en el caso de la celda electroltica a ms amperaje la masa obtenida ser mayor.

I-OBJETIVOS:

Estudiar la ecuacin de Nernst aplicada a la celda galvnica Zn/Zn+2//Cu+2/Cu a diferentes concentraciones.

Estudiar la ley de Faraday para la electrolisis del agua.

II.-MARCO TEORICOElectroqumicaElectroqumica es una rama de la qumica que estudia la transformacin entre la energa elctrica y la energa qumica. En otras palabras, las reacciones qumicas que se dan en la interfase de un conductor elctrico (llamado electrodo, que puede ser un metal o un semiconductor) y un conductor inico (el electrolito) pudiendo ser una disolucin y en algunos casos especiales, un slido. Si una reaccin qumica es conducida mediante un voltaje aplicado externamente, se hace referencia a una electrlisis, en cambio, si el voltaje o cada de potencial elctrico, es creado como consecuencia de la reaccin qumica , se conoce como un "acumulador de energa elctrica", tambin llamado batera o celda galvnica.Las reacciones qumicas donde se produce una transferencia de electrones entre molculas se conocen como reacciones redox, y su importancia en la electroqumica es vital, pues mediante este tipo de reacciones se llevan a cabo los procesos que generan electricidad o en caso contrario, es producido como consecuencia de ella. En general, la electroqumica se encarga de estudiar las situaciones donde se dan reacciones de oxidacin y reduccin encontrndose separadas, fsicamente o temporalmente, se encuentran en un entorno conectado a un circuito elctrico. Esto ltimo es motivo de estudio de la qumica analtica, en una subdisciplina conocida como anlisis potenciomtrico.

Corriente elctrica y movimiento de iones

A condiciones diferentes a los estndares, el potencial de a celda puede calcularse de acuerdo con la ecuacin de Walter Nerst:E = E0 - Donde:E0= Potencial de celda a condiciones estndarazn+2= actividad del ion zincacu+2= actividad del ion cobreEstequiometria de la electrolisisLas relaciones cunticas entre electricidad y cambio qumico fueron descritas originalmente por Michael Faraday en 1832 y 1833. El trabajo de Faraday se conoce mejor por la referencia a las medias reacciones que ocurren durante la electrlisis. El cambio en el ctodo durante la electrlisis del cloruro de sodio fundido:Na+ + e- NaCeldas galvnicas, voltaicas o pilas Funcionan espontneamente. Utiliza una reaccin qumica para realizar trabajo elctrico. Funcionamiento:ej. pila Zn(s) /Zn+2(a M) // Cu+2(b M) /Cu (s)nodo (-): Oxidacin: Zn(s) Zn2+(ac) + 2e-Ctodo (+): Reduccin: Cu2+(ac) + 2e- Cu(s)Puente salino o tapn poroso: flujo de iones.Los electrones se mueven a travs del circuito externo desde el lugar de la oxidacin (nodo) hacia el sitio de la reduccin (ctodo).Celda electrolticaUna celda electroltica consta de un lquido conductor llamado electroltico adems de dos electrodos de composicin similar. La celda como tal no sirve como fuente de energa elctrica, pero puede conducir corriente desde una fuente externa denominada accin electroltica. Se usa en electro deposicin, electro formacin, produccin de gases y realizacin de muchos procedimientos industriales, un ejemplo es la refinacin de metales. Siendo la cantidad producida de cualquier sustancia proporcional a la cantidad de electricidad que atraviesas la celda. Esta relacin fue descubierta por Michel Faraday y resumida en lo siguiente: 96500 coulombs de electricidad producen un equivalente gramo de determinada sustancia en cada electrodo. Segn faraday:M = (PE) I t 96500CSi debido al flujo de la corriente los electrodos se tornan desiguales, es posible que ocurra una accin voltaica.

Una celda electroltica se produce una reaccin de descomposicin en base a los electrones que circulan por la solucin electroltica.Unacelda voltaica se produce una reaccin y como consecuencia de esa reaccin se liberan electrones producindose una diferencia de potencial (generas corriente elctrica).

III.-PROCEDIMIENTO EXPERIMENTALEcuacin de Nernst Preparamos en fiolas diferentes 250mL de las soluciones CuSO4 0.01M y 0.001M. Luego vertimos 200 mL de ZnSO4 0.1 M en un vaso de precipitados y hicimos lo mismo con la solucin CuSO4 0.1M y lo conectamos dichos vasos con el puente salino. Seguidamente lijamos las 2 lminas metlicas y las enjuagamos con agua destilada. Luego conectamos el cordn elctrico negro en COM y el rojo en v del multmetro. Luego el otro extremo del cordn negro lo conectamos con la lamina se Zn y al rojo con la lamina de Cu, y lo introducimos en sus respectivas soluciones tratando que estas no hagan contacto con las pinzas. Luego giramos la perilla del multmetro hasta 2V en DCV y se encendi el aparato. Luego dejamos que la lectura se estabilice y anotamos. Repetimos el procedimiento para soluciones de CuSO4 0.01M y CuSO4 0.001M.

Ley de Faraday Primero se verti 200 mL de solucin de NaOH 4N en un vaso de 250mL. Luego conectamos la bureta con el tubo con salida lateral y manteniendo abierto el conducto que conecta con el ambiente se procedi a nivelar el volumen de agua en la bureta en cero subiendo o bajando la pera de decantacin del gasmetro. Seguidamente instalo el otro electrodo de acero (nodo) al mismo nivel que el anterior. Luego conectamos el Terminal negativo de la fuente de corriente con el ctodo y el Terminal positivo con el nodo. Luego graduamos 0.2 A en la fuente de corriente continua. Luego de encender la fuente dejamos pasar unos 2 minutos antes de comenzar el experimento para que el hidrogeno desplace todo el aire. Luego cerramos el conducto que conecta con el ambiente y al mismo tiempo se puso en marcha el cronometro y controlamos el tiempo que demora en producir 20mL de hidrogeno. Durante todo este tiempo se mantuvo el nivel del agua dentro de la bureta igual al nivel de agua dentro de la pera de decantacin.IV.- CALCULOS Y RESULTADOS

Tabla N4.1: Condiciones del LaboratorioPresin mmHg756

Temperatura K296.15

Humedad Relativa %HR96

Datos tericos:Tabla N4.2: Coeficientes de Actividad de los iones Zn y Cu a 25CIonConcentracion mol/litroY(coef.activ)

Cu+2

0.10.485

0.010.749

0.0010.905

Zn+20.10.445

Lange Handbook of Chemistry Tenth edition (1961) pag 1205.

Datos Experimentales:Tabla N4.3: Potencial de celda para el sistema formado Zn/Zn+2//Cu+2/Cu a diferentes concentraciones.Concentracin de [Zn+2]Concentracin de [Cu+2]Potenciales experimentales mV

0.10.11080

0.10.011070

0.10.0011054

Tabla N4.4: Tiempo para que se desprenda un determinado volumen de Hidrogeno gaseoso.Tiempo (s)Volumen mL

1204.7

Resultados y % Error:Tabla N4.4: Potenciales en la celda Galvnica evaluando en la Ecu. Nerst cuando la actividad es igual a la concentracin de los iones.Concentracin de [Zn+2]Concentracin de [Cu+2]Potenciales%Error

0.10.111001.85

0.10.0110700

0.10.0011041-1.23

Tabla N4.5: Potenciales en la celda Galvnica evaluando en la Ecu. Nerst, teniendo en cuenta los coeficientes de actividad de los iones.Concentracin de [Zn+2]Concentracin de [Cu+2]Potenciales%Error

0.10.111001.85

0.10.011099.982.80

0.10.0011099.955.66

Tabla N4.5: Masa del hidrogeno gaseoso liberado en el sistema electroqumico.

Masa H2 segn FaradayMasa H2 experimental%Error

0.000370.00038-2.63

a) Mediante la ec. De Nernst calcule el potencial de celda para cada par de soluciones.Ecuacin de Nernst: Si se utiliza las concentraciones en lugar de las actividades

T = 25C=298.15KR = 8.314 J/mol.Kn = 2F = 96500 CPotenciales tericosPara [Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.1ME=1100 mvPara [Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.01ME=1070 mvPara [Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.001ME=1042 mvCalculo de porcentaje de error

Para [Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.1M

%Error= 1.82%Para [Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.01M

%Error= 0.00%Para [Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.001M

%Error= -1.15%Si se toman en cuenta los coeficientes de actividades:a=yx[M+n]Si para [Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.1M sus coeficientes de actividades son 0.485 y 0.485 respectivamente segn la tabla N0.Entonces si reemplazamos en la ecuacin de Nernst, tenemos lo siguienteT:E= 1100mv - xLnE= 1100 mvReemplazamos igualmente los dems coeficientes de actividades del ion Cu+2 para las concentraciones de 0.01 y 0.001.El porcentaje de error para este valor sera igual a 1.82%.b) Utilizando la Ley de Faraday calcule la cantidad en gramos de hidrogeno liberado en el ctodo y comprelo con el obtenido experimentalmente.Si el tiempo para que se liberen 4.7mL de hidrogeno se demora 120 segundos, calculamos el peso de hidrogeno producido.

MasaH2=MasaH2=0.00037g Experimentalmente se calcula la masa a partir de la Ecuacin de gases Ideales, ya que la Presin a la que se encuentra el gas es menos a 1 atm.P=756mmHgV=4.7mLPV=RTnm= m=

m=0.00038gEl porcentaje de error al comparar el valor obtenido por la Ley de Faraday y el experimental es -0.027%

V.-CONCLUSIONESEl potencial de celda para el sistema electroqumico formado por soluciones de CuSO4(0.1M) y ZnSO4(0.1M) fue de 1080Mv,por soluciones de CuSO4(0.01M) y ZnSO4(0.1M) fue de 1070Mv y por soluciones de CuSO4(0.001M) y ZnSO4(0.1M) fue de 1041Mv, obtenindose 1.85, 0 y 1.23% de error respectivamente, respecto a los potenciales tericos(1100Mv,1070Mv y 1054mv) obtenidos cuando la actividad se considera igual a la concentracin en la ecuacin de Nerst y 1.85,2.80 y 5.66% de error respectivamente, respecto a los potenciales tericos(1100,1099.98 y 1099.95mV) cuando se consideran los coeficientes de actividad en la ecuacin de Nerst.Experimentalmente se obtuvo que la masa de hidrogeno liberado fue de 0.00038g con un error porcentual de 0.027% de error respeto al terico (0.00037g)El uso del puente salino es importante pues conecta las 2 soluciones, evitando su mezcla.La masa desprendida en un electrodo de una solucin es proporcional a la cantidad de electricidad que est pasando por la celda electroltica.

VI.-BIBLIGRAFIA

Samuel H Marn, Carl F Prutton, Fundamentos de la fisicoqumica, Editorial LIMUSA, MEXICO, 2001.

Gilbert W. Castelln, Fisicoqumica, 2da ed., Ed. Addison Wesley, MEXICO, 1987.

Fisicoqumica, Gastn Pons Muzzo, ed. universo ,1 Ed,1969, pg. 464 470

Lange Handbook of Chemistry Tenth edition (1961) pag 1205.

VII.-CUESTIONARIO1. A qu se denomina electrolitos, mencione tres ejemplos.Un electrlito es una sustancia que se descompone en iones (partculas cargadas de electricidad) cuando se disuelve en los lquidos del cuerpo o el agua, permitiendo que la energa elctrica pase a travs de ellos. Algunos de los ejemplos de electrolitos son el sodio, el potasio, el cloruro y el calcio. La responsabilidad principal de los electrolitos en los seres vivos es llevar nutrientes hacia las clulas y sacar los desechos fuera de estas.Los electrlitos pueden ser dbiles o fuertes, segn estn parcial o totalmente ionizados o disociados en medio acuoso. Un electrolito fuerte es toda sustancia que al disolverse en agua lo hace completamente y provoca exclusivamente la formacin de iones con una reaccin de disolucin prcticamente irreversible. Un electrolito dbil es una sustancia que al disolverse en agua lo hace parcialmente y produce iones parcialmente, con reacciones de tipo reversible.Los electrolitos generalmente existen como cidos, bases o sales.Un electrlito se describe como concentrado si tiene una alta concentracin de iones; o diluido, si tiene una baja concentracin. Si tiene una alta proporcin del soluto disuelto se disocia en iones, la solucin es fuerte; si la mayor parte del soluto permanece no ionizado la solucin es dbil.Los electrlitos juegan un papel importante en los seres vivos. Ayudan a mantener el fluido adecuado y el balance cido-base dentro del cuerpo. Algunos de los cationes biolgicos ms importantes son Na+, K+, Ca^2+ y Mg. Adems del Cl-, el O^2- y el S^2-, los aniones ms importantes son los aniones poliatmicos. Un in poliatmico es un in que contiene ms de un tomo. Ejemplos de iones poliatmicos son, el in bicarbonato (HCO3-), que es un anin compuesto de cinco tomos, al igual que el ion sulfato (SO4^2-); el catin amonio (NH4+) compuesto por cinco tomos, etc.Ejemplos:-Cloruro de sodio fundido (NaCl).- cido ntrico.- Cloruro mercurioso (HgCl2)

2. Qu es la FEM? Mencione algunas aplicaciones.La fuerza electromotriz (FEM) es toda causa capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una corriente elctrica en un circuito cerrado. Es una caracterstica de cada generador elctrico. Con carcter general puede explicarse por la existencia de un campo electromotor cuya circulacin, ds, define la fuerza electromotriz del generador.La f.e.m. se mide en voltios, al igual que el potencial elctrico. Existen diferentes dispositivos capaces de suministrar energa elctrica, entre los que podemos citar:Pilas o bateras. Son las fuentes de FEM ms conocidas del gran pblico. Generan energa elctrica por medios qumicos. Las ms comunes y corrientes son las de carbn-zinc y las alcalinas, que cuando se agotan no admiten recarga. Las hay tambin de nquel-cadmio (NiCd), de nquel e hidruro metlico (Ni-MH) y de in de litio (Li-ion), recargables. En los automviles se utilizan bateras de plomo-cido, que emplean como electrodos placas de plomo y como electrolito cido sulfrico mezclado con agua destilada.Mquinas electromagnticas. Generan energa elctrica utilizando medios magnticos y mecnicos. Es el caso de las dinamos y generadores pequeos utilizados en vehculos automotores, plantas elctricas porttiles y otros usos diversos, as como los de gran tamao empleado en las centrales hidrulicas, trmicas y atmicas, que suministran energa elctrica a industrias y ciudades.Celdas fotovoltaicas o fotoelctricas. Llamadas tambin celdas solares, transforman en energa elctrica la luz natural del Sol o la de una fuente de luz artificial que incida sobre stas. Su principal componente es el silicio (Si). Uno de los empleos ms generalizados en todo el mundo de las celdas voltaicas es en el encendido automtico de las luces del alumbrado pblico en las ciudades.Efecto piezoelctrico. Propiedad de algunos materiales como el cristal de cuarzo de generar una pequea diferencia de potencial cuando se ejerce presin sobre ellos. Una de las aplicaciones prcticas de esa propiedad es captar el sonido grabado en los antiguos discos de vinilo por medio de una aguja de zafiro, que al deslizarse por los surcos del disco en movimiento convierten sus variaciones de vaivn en corriente elctrica de audiofrecuencia de muy baja tensin o voltaje, que se puede amplificar y or a un nivel mucho ms alto.3. Explique de qu forma se pueden predecir los productos en un proceso electroltico.

En un proceso electroltico se puede predecir los resultados mediante las ecuaciones de reaccin. Adems que si se tienen todos los datos necesarios (intensidad de corriente, tiempo) el clculo se hace simple.Por ejemplo para la solucin de hidrxido de sodio se sabe que se forman los iones H+ y O-2, una vez que empiece a pasar corriente elctrica el H+ (positivo) se dirigir al ctodo y el O-2 (negativo) ira hacia el nodo. Originando gas hidrogeno en el ctodo y gas oxgeno en el nodo.

VIII.-ANEXOSELECTRODEPOSICIN / RECUPERACIN O ELIMINACIN DE METALES PESADOS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALESUna de las aplicaciones industriales de la tecnologa electroqumica es el tratamiento de electrodeposicin en aguas residuales para eliminar y/o recuperar metales pesados. La actividad del grupo en la lnea de investigacin de la electrodeposicin de metales est principalmente dirigida a:1. Desarrollo de procesos electroqumicos para el reciclado y la recuperacin de metales (Pb, Zn, Ni). El uso de los procesos electroqumicos permite obtener metales con una gran pureza y supone una alternativa ms ecolgica a la pirometalurgia clsica, pues evita la emisin de gases, sulfuros y partculas metlicas.2. Eliminacin de metales pesados en aguas residuales. Actualmente, la existencia de metales pesados en aguas residuales constituye uno de los problemas de contaminacin ms importantes, debido a la elevada toxicidad y a sus propiedades acumulativas. Respecto a su origen, se generan casi exclusivamente en los efluentes industriales (por ejemplo, en procesos metalrgicos, baos metlicos, tintes, colorantes, bateras). De acuerdo con las lneas de investigacin y la experiencia, el Departamento de Qumica-Fsica es capaz de desarrollar tratamientos altamente efectivos para: Procesos de acabado metlico (electrogalvanizado). Recuperacin de metales preciosos (plata a partir de material fotogrfico). Recuperacin de metales no-preciosos (plomo de las bateras). Eliminacin de impurezas en reactivos qumicos. Electrorremediacin de suelos.La recuperacin del metal se lleva a cabo mediante su deposicin en forma metlica sobre el ctodo en un reactor electroqumico. Esto supone la formacin de una nueva fase slida. El tipo de reactor electroqumico se determina en funcin del valor del metal recuperado y de las leyes medioambientales.En segundo lugar, la eleccin del diseo est determinada por la posibilidad de reciclar el metal en forma metlica o como una disolucin concentrada. La recuperacin de metales por electrodeposicin normalmente se lleva a cabo a partir de disoluciones concentradas usando un reactor abierto.Esta geometra facilita la extraccin y la recuperacin masiva del metal. Cuando el principal objetivo es la eliminacin de un metal contaminante en un efluente, es comn encontrar concentraciones de metales pesados dentro del intervalo 1-1000 ppm. Estas concentraciones tan bajas obligan a imponer bajas densidades de corriente si se usan reactores convencionales. Debido a esta baja concentracin de metales en disolucin, es importante desarrollar reactores electroqumicos capaces de eliminar los metales en estas condiciones experimentales.En este sentido, principalmente hay dos estrategias:1. Usar electrodos tridimensionales. Este tipo de electrodos (electrodos porosos, montones de material esfrico) poseen elevadas reas superficiales. Esto permite alcanzar elevadas densidades de corriente de trabajo y, por lo tanto, aumentar la etapa de conversin.2. Incrementar las condiciones del transporte de masa mediante la generacin de turbulencias.

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