Informe N_ 10.doc

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSE.A.P. QUMICA

NDICE1. Resmen .. 2

2. Principios tericos.. 3

3. Detalles experimentales. 4

3.1. Materiales y reactivos. 4

3.2. Procedimiento experimental. 5

3.2.1. Electrolisis de la solucin de KI (electrodos insolubles). 53.2.2. Electrolisis de CuSO4 (electrodos insolubles) 63.2.3. Purificacin del cubre (electrodos de Cu: nodo soluble) 73.2.4. Electrolisis de la solucin de NaCl (electrodos insolubles).. 84. Discusin de resultados.. 9

5. Conclusiones.. 10

6. Recomendaciones.. 11

7. Bibliografa... 12

8. Apndice13

1. RESMEN

En la experiencia aprendimos a cerca de la electrolisis que a diferencia de otro proceso electroqumico esta se lleva a cabo por el impulso de una fuente externa de energa elctrica y se realiza en celdas electrolticas. Se trabaj con 4 experiencias, tres de ellas eran soluciones acuosas y los electrodos con los que se trabaj eran insolubles, mientras que con una cuarta experiencia de la purificacin del cobre se trabaj con electrodos solubles (electrodos activos) debido a que estos electrodos participaron en la electrolisis y uno de ellos se desintegro en solidos pequeos mientras que el otro absorba estos pequeos solidos desintegrados. Se aprendi acerca de las medias reacciones que se producen por cada electrolisis, adems de saber dnde se producen mediante la oxidacin o reduccin que se lleva a cabo en el nodo y ctodo respectivamente.

En esta experiencia se tom en cuenta el tiempo adems de la energa potencial que se le proporcionaba a cada solucin con la que se trabaj para que se llevara a cabo las electrolisis factibles.

2. PRINCIPIOS TERICOS

Electrolitos: son sustancias quedan soluciones acuosas conductoras en corriente elctrica. Dicha sustancias puede conducir tambin la electricidad, al estado de fusin, en caso de ser electrolitos slidos.

Electrolisis: es el proceso mediante el cual se utiliza la energa elctrica para producir un cambio qumico.

Semicelda: es un electrodo sumergido en una disolucin que contiene iones del mismo metal.

1. Un ion metlico de la disolucin puede chocar con el electrodo, tomar de l n electrones y convertirse en un tomo metlico M. El ion se reduce.2. Un tomo metlico de la superficie puede ceder electrones al electrodo e incorporarse a la disolucin como el ion . El tomo metlico se oxida.Leyes de la electrolisis: las relaciones que existen entre las cantidades de sustancia que participan en reacciones qumicas, en particular, sobre los electrodos y la cantidad de electricidad, que pasan por el circuito se expresan por las leyes de Faraday.

1. La masa de cualquier sustancia, depositada o disuelta en un electrodo, es proporcional a la cantidad de electricidad (nmero de coulomb) que pasa a travs del electrolito.

2. La masa de diferente sustancias depositadas o disueltas en un electrodo, por la misma cantidad de electricidad son proporcionales a sus pesos equivalentes.

Ambas leyes pueden resumirse en el siguiente anunciado: para descomponer o liberar un equivalente gramo de cualquier electrlito (anin o catin), se requiere la cantidad de electricidad de 96500C. Para esta cantidad de electricidad se le denomina Faraday y se representada por el smbolo F.

Una expresin matemtica de las leyes mencionadas es la siguiente:

3. DETALLES EXPERIMENTALES

3.1. Materiales y reactivos

MATERIALES

.1 gradilla con 6 tubos de ensayo

. 1 tubo en U

. 1 pipeta graduada de 10ml

. 1 matraz Erlenmeyer de 250ml

. 1 vaso de 250ml

. 1 bureta de 50ml

. 1 soporte universal

. 1 pisceta

1 fuente de corriente de 0 a 20 V

. 2 electrodos de carbn (de pila)

2 enchufes y cable elctrico para conexiones

REACTIVOS

. Alambre o chatarra de cobre

. Lmina de cobre puro de 15 x 80mm

. Viruta de cobre

. cido sulfrico concentrado

. cido clorhdrico 0.1N

. cido ntrico 3M

. Cloruro frrico 0.1M

. Tetracloruro de carbono

. Indicador fenolftalena

. Indicador anaranjado de metilo. Almidn

3.2. Procedimiento experimental3.2.1. Electrolisis de la solucin de (electrodos insolubles)1. Colocar una cantidad suficiente de solucin de 0.5M en el tubo en U, de modo que llegue hasta 1cm por debajo de la parte superior.2. Instalar el aparato de electrolisis como se muestra en la figura 1. La fuente de corriente directa (continua) debe tener un potencial de 12V.3. Hacer las conexiones elctricas correspondientes y dejar transcurrir la electrolisis durante 10 min.4. Observar y anotar todos los cambios que se producen en los electrodos, cambio de color, productos que se forman, desprenden o depositan. La parte del nodo comienza a tomar un color rojo oscuro, debido a la presencia de iodo , mientras tanto el ctodo no toma ninguna coloracin 5. Extraer con el gotero 2ml de la solucin del extremo donde estaba el ctodo, vaciarlo en un tubo de ensayo, agregar tres gotas de fenolftalena para comprobar la concentracin del ion hidroxilo de la solucin, en seguida la solucin tomo un color rojo grosella. Luego, aadir 3 gotas de 0.1M, enseguida la solucin tomo la fase gel, este se deposit en el fondo del tubo de ensayo.

6. Extraer con el gotero 2ml de la solucin parda del nodo, vaciarlo en 2 tubos de ensayo en partes iguales; al primer tubo aadir 2 gotas de , agitar y dejar reposar, observar en esta la coloracin que toma la solucin de la capa inferior ms densa que fue una coloracin violeta. Al segundo tubo aadir 2 gotas de almidn y la solucin tomo un color azul negruzco.

3.2.2. Electrolisis de CuSO4 (electrodos insolubles)1. Al igual que en la experiencia anterior se conecta la fuente de voltaje y se coloca los electrodos en la celda electroltica, esta vez utilizaremos el CuSO4 0.5M y un voltaje de 12V.

2. Se logra observar en el nodo la formacin de burbujas debido al gas oxgeno. En el ctodo apenas es visible el cmo se va depositando el cobre aunque en cantidad mnima.

3. De la parte del ctodo, extraemos 2ml y colocamos 1ml en dos tubos, a estos se le agrega dos gotas de fenolftalena y anaranjado de metilo, donde en el primero la coloracin no cambia mientras en el segundo de un rosa muy leve.

4. De la misma manera, sacamos 2ml de la parte del ctodo y lo colocamos en dos tubos de ensayo, agregamos los mismos indicadores y la coloracin es igual a lo anterior.

5. El ctodo se seca, luego se lo coloca en la boca de un tubo de ensayo agregando gota a gota HNO3 de modo que se vaya desprendiendo el cobre dentro del tubo. La coloracin es de un verde opaco.

Las reacciones estn dada de la siguiente manera:

nodo:

2H2O O2 + 4H++ 4e-

Ctodo:

2Cu2++4e- 2Cu

3.2.3. Purificacin del cubre (electrodos de Cu: nodo soluble)1. En un vaso de 150mL, agregar 100Ml de solucin de sulfato de cobre 0,5M, agregarle 1mL de H2SO4 concentrado; luego instalar como nodo un alambre de cobre puro de 2mm de grueso y como ctodo una lmina de cobre puro de 15x80mm. Introducir los electrodos en el vaso con la solucin, tener en cuenta que la separacin entre los electrodos debe ser de 5cm.

2. Hacer las conexiones elctricas, y dejar transcurrir electrolisis con una tensin de 2,4V entre los electrodos durante 15-20 minutos. Anote todas sus observaciones.

3. Luego de concluido el proceso desconectar el equipo, retirar los electrodos del vaso y determinar por pesada (si es posible) la cantidad del cobre sobre el catodo para lo cual se lava antes con agua destilada y se seca en la estufa a 60-70

4. En el fondo del vaso electroltico se separan las impurezas del cobre en bruto y constituyen el llamado barro andico. Tratar de determinar sus componentes.

Esta manera de purificar el cobre se aplica en la industria para obtener el llamado cobre electroltico metlico.

Fig. 2 conexin del equipo para la purificacin del cobre .qumica general Mc Murray

Se puede observar como el alambre se desintegra y pequeos solidos del alambre desde el nodo se desplazan hacia la lmina de cobre (ctodo). Fig. 3

Se produjo las siguientes reacciones medias

En el nodo (+) En el ctodo (-)

Cu + 2e- ( Cu+2 Cu+2 + 2e- ( Cu

3.2.4. Electrolisis de la solucin de NaCl (electrodos insolubles)1. Como el proceso anterior emplear un vaso de 150mL y 100mL de solucin de cloruro de sodio de concentracin conocida, emplear los mismos electrodos de carbn. Introducir los electrodos en la solucin y en esta experiencia se utiliz una maya que acta como una membrana y que evita que las soluciones de ambos lados no se mezcle por eso se colocara en el centro dividiendo el matraz en dos partes iguales.

Fig. 3 separacin con la maya Fig. 4 colocacin de los electrodos

2. Hacer las conexiones elctricas y dejar transcurrir la electrolisis con una tensin de 3-4V, durante 15-20 minutos. anote sus observaciones.

Se produce las siguientes reacciones medias

En el nodo (+) En el ctodo (-)

2Cl- - 2e- ( Cl2 2H2O + 2e- ( H2 + 2OH-3. Concluida la electrolisis desconectar el equipo, retirar los electrodos del vaso y lavar el ctodo con agua destilada dentro del vaso. Tener presente la exactitud del volumen final de la solucin luego del lavado, si es necesario completar con agua destilada hasta un volumen conveniente (si es posible vaciar la solucin a un matraz aforado y enrazar con agua destilada), titular dos muestras de 10mL de esta solucin en dos matraces de 250mL con HCl 0,1N, empleando anaranjado de metilo como indicador y fenolftalena. Anote sus datos.

Volumen gastado con indicador anaranjado de metilo 1,5mL

Volumen gastado con indicador fenolftalena 0,4M

4. DISCUSIN DE RESULTADOS Al momento de incorporar corriente elctrica en el tubo en U con la solucin de KI, este comenz a disociarse haciendo que la seccin con el ctodo cuente con la presencia de iones hidrxido, aqu sucede la reaccin de reduccin; y en la parte del nodo este con iodo puro y se producir la reaccin de oxidacin. Esto se pudo comprobar experimentalmente al extraer 2ml de la parte del ctodo y combinarlo con un poco de fenolftalena y notar el rojo grosella.

Se pudo obtener la diferencia potencial de una celda que es el resultado de la diferencia del voltaje del ctodo y el nodo; -2.924V y -0.828V, resultando la diferencia de potencial estndar 2.062V.

En la experiencia de la electrlisis del NaCl (electrodos insolubles) se gast un volumen muy por fuera de rango respecto a lo que es recomendable, esto debido a que uno de los electrodos se sali del alambre que lo sostena y cay al fondo del vaso. Para la experiencia C de purificacin del cobre, se pudo observar la desintegracin del alambre que actu como nodo y que estos pequeos solidos eran atrados hacia el ctodo (la lmina de cobre).

El CuSO4 para este ejemplo acta como electrolito al proporcionarle energa elctrica a esta solucin, la corriente elctrica provoca la oxidacin del cobre metlico lleno de impurezas del nodo y la reduccin del Cu+2 para formar Cu metlico en el ctodo.

Los nodos se disuelven y los ctodos sobre los que se deposita el metal puro aumentan de tamao.

Las impurezas ms fcilmente oxidables (Zn, Fe) permanecen en disolucin como cationes, mientras que las impurezas de metal noble (Ag, Au,Pt), que no se oxidan se recolectan como lodo andico

En la experiencia D, en esta electrolisis la media reaccin en el ctodo podra ser la reduccin del Na+ a sodio metlico o la reduccin del agua para formar hidrogeno gaseoso, pero cuando se observan las semirreacciones el potencial estndar es menos negativo para la reduccin del agua (E =-0,83) que para el sodio (E= -2,71), por ende se reduce el agua y en el ctodo se producen burbujas de hidrogeno gaseoso.

5. CONCLUSIONES

Cuando se realiz la electrolisis del KI se produjo la disociacin del potasio y el yodo, estos al ser separados por la fuerza de la electricidad el potasio hizo reaccin con el agua y el iodo tom su forma pura. La purificacin del cobre es una aplicacin comercial de la electrolisis debido a que el cobre recin extrado presenta impurezas y mediante una electrolisis se hace una separacin y se obtiene el lodo andico pues son desintegraciones algo difciles de reducir adems del Cu+2 que se reduce fcilmente y se convierte en cobre metlico puro pues con este procesos se obtiene una pureza de 99,95%.

6. RECOMENDACIONES

Tener mucho cuidado en la ltima experiencia para no chocar los electrodos con el fondo del vaso o entre ellos debido a que al momento de titular el volumen gastado ser mucho mayor de lo necesario. Proporcionarles el voltaje establecido a las soluciones para que se lleven las electrolisis factiblemente y tomar en cuenta el tiempo de conexin recomendado por el profesor.

7. BIBLIOGRAFA

Qumica General; Mc Murray; quinta edicin; Electroqumica pg. (716-724)Qumica La ciencia central Brown LeMay dcimo primera edicin, 2009 (pg. 876-879)

8. PENDICE

1. Para cada proceso electroltico ensayado en clase escribir las semireacciones que se producen en cada electrodo y la reaccin neta

. Electrolisis del KI:

Ctodo: nodo:

2H2O + 2e- H2 + 2OH- 2I- I2 + 2e-. Electrolisis del CuSO4:

Ctodo: nodo:

2Cu2++ 4e- 2Cu2H2O O2 + 4H+ + 4e-. Purificacin del cobre (Electrodos de Cu: nodo insoluble):Ctodo: nodo:

Cu2++ 2e- CuCu + 2e- Cu2+.Electrolisis del NaCL:

Ctodo: nodo:

2H2O + 2e- H2 + 2OH- 2Cl- Cl2 + 2e-2. Cules son los productos que se han formado, depositado o desprendido en cada electrodo? Cmo se identifican fsica y qumicamente cada uno de estos productos.

. Electrolisis del KI:

Ctodo: nodo:

*Desprendimiento de H2*Se deposita el I2* Se observa la formacin de* Se observa cmo cambia la

Burbujas en la punta del electrodocoloracin inicial a un

Marrn al pasar los minutos

. Electrolisis del CuSO4:

Ctodo: nodo:

*Deposicin de Cu*Desprendimiento de O2*Es apenas visible en la punta * Formacin de burbujas

Del electrodo que se ve apenas.

. Purificacin del cobre (Electrodos de Cu: nodo insoluble):Ctodo: nodo:

* Deposicin de Cu*Deposicin de Cu

*Del alambre de cobre se observa*En la lmina de cobre se

La formacin de una coloracin marrn observa un color marrn

.Electrolisis del NaCL:

Ctodo: nodo:

*Desprendimiento de H2*Desprendimiento de cloro* Se observa una pequea formacin*Se observa una mayor cant.

De burbujasde burbujas que en el

Ctodo.

3. De acuerdo a sus observaciones, prediga Cules seran las semirreacciones y los productos en cada electrodo si el electrolito es una solucin de Na2SO4?

Ctodo: nodo:2H2O + 2e- H2 + 2OH- Na2SO4 Na++ 2SO4-

2SO4- S2O8 + 2e-4. Qu entiende por electrodo soluble y cul es la aplicacin industrial? Explique

Se refiere a un electrodo que en contacto con el electrolito puede producir reacciones de oxidacin o reduccin como el Zn, Cu, Ag, Fe, etc.

Una aplicacin industrial es la refinacin de los residuos de la fusin de estao.

5. Se electroliza 300g de una solucin de K2SO4 al 20% con una intensidad de 6 A durante 4 horas. Calcular la cantidad de agua descompuesta y la concentracin final de la solucin.

K2SO4 K+ + SO4-2Reaccin en el ctodo:

Como el potasio pertenece al grupo de los metales alcalinos, en medio acuoso no se reduce. Es el agua quien se reduce en el ctodo.

2H2O + 2e- H2 + 2OH- Se electroliza solo el 20% de los 2mol de e- 2 mol de H2O300g, entonces:2*96500C 2 mol de H2O300g*20% = 60g6A*14400s X mol de H2O

X = (6A*14400s*2 mol de H2O)/2*96500CX = 0.90 moles m = n*M 0.90*18= 16.20g

6. Se electroliza 500ml de solucin de CuSO4 0.2M empleando una corriente de 3 A durante 35 min. Cul ser la concentracin final de Cu2+y Cl- ? (Asumir que el volumen no cambia durante el proceso)

CuSO4 Cu+2 + SO4-2M*V = ncu0.2*0.5 = ncu Si por 1 mol de CuSO4 se produce por Ctodo: disociacin en el agua 1 mol de Cu2+,Cu2++ 2e- Cu entonces: n CuSO4= n Cu2+= 0.1 moles

*Al reducirse en el ctodo, el Cu2+ disminuye su concentracin a medida que transcurre el tiempo:

Cu2+ + 2e- Cu

2mol de e- 1 mol de Cu2+2 * 96500 1 mol de Cu2+3A * 2100s n mol Cu2+n mol Cu2+ = (1 mol de Cu2+ * 3A * 2100s)/2*96500Cn mol Cu2+ = (6300C * 1 mol de Cu2+)/193000C

n mol Cu2+= 0.033

*Si el volumen no cambia en el proceso, entonces:

M= n/V 0.033/0.5 = 0.065

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