II
LFQ-M-2-B
Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Universidad del Per, DECANA DE AMRICA
E.A.P. DE INGENIERA INDUSTRIAL
LABORATORIO DE FISICOQUMICA
INFORME N 06
ELECTROQUIMICA
Grupo: Mircoles 2:00 pm 5:00 pm
Profesora: Qco. Claudia Villanueva Huerta
Fecha de realizacin de la prctica: 29/10/08
Fecha de entrega de informe:7/10/08
NDICE
I.- Resumen 1
II.- Introduccin 2
III.- Fundamentos tericos 3
IV.- Procedimiento experimental 7
V.- Tablas de datos y resultados 9
VI.- Clculos 10
VII.- Anlisis y discusin de resultados 12
VIII.- Conclusiones 12
IX.- Recomendaciones 13
X.- Bibliografa 13
XI.- Apndice 14
I. RESUMEN
El objetivo esta prctica es 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.
Las condiciones de laboratorio en la que se trabajo fueron
temperatura: 20C, presin 756 mmHg, humedad relativa 94%.
Para el caso de la ecuacin de Nernst los potenciales obtenidos
fueron:
1.1v ([Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.1M), 1.07v ([Zn+2] = 0.1M y
[Cu+2] = 0.01M) y 1.04v ([Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.001M); y el
error en cada caso fue de 1.45%, -0.28% y -1.35%
respectivamente.
Para el caso de la celda electroltica la masa experimental fue
1.64x10-3 g de Hidrogeno y el porcetaje de error fue 26.45%.
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 mas amperaje la masa
obtenida ser mayor.
II. INTRODUCCION
La energa elctrica es una de las formas de energa de mayor
importancia prctica para la vida contempornea. Un da sin energa
elctrica, ya sea por fallas de la compaa que suministra la luz o
por falta de bateras, es inconcebible en nuestra sociedad
tecnolgica. El rea de la qumica que estudia la conversin entre la
energa elctrica y la energa qumica es la electroqumica. Los
procesos electroqumicos son reacciones redox en donde la energa
liberada por una reaccin espontnea se transforma en electricidad, o
la electricidad se utiliza para inducir una reaccin qumica no
espontnea. A este ltimo proceso se le conoce como electrlisis
La descomposicin electroltica es la base de un gran nmero de
procesos de extraccin y fabricacin muy importantes en la industria
moderna. La sosa custica (un producto qumico importante para la
fabricacin de papel, rayn y pelcula fotogrfica) se produce por la
electrlisis de una disolucin de sal comn en agua. La reaccin
produce cloro y sodio. El sodio reacciona a su vez con el agua de
la pila electroltica produciendo sosa custica. El cloro obtenido se
utiliza en la fabricacin de pasta de madera y papel.
Una aplicacin industrial importante de la electrlisis es el
horno elctrico, que se utiliza para fabricar aluminio, magnesio y
sodio. En este horno, se calienta una carga de sales metlicas hasta
que se funde y se ioniza. A continuacin, se deposita el metal
electrolticamente.
Los mtodos electrolticos se utilizan tambin para refinar el
plomo, el estao, el cobre, el oro y la plata. La ventaja de extraer
o refinar metales por procesos electrolticos es que el metal
depositado es de gran pureza. La galvanotcnia, otra aplicacin
industrial electroltica, se usa para depositar pelculas de metales
preciosos en metales base. Tambin se utiliza para depositar metales
y aleaciones en piezas metlicas que precisen un recubrimiento
resistente y duradero. La electroqumica ha avanzado recientemente
desarrollando nuevas tcnicas para colocar capas de material sobre
los electrodos, aumentando as su eficacia y resistencia.
III. FUNDAMENTO TEORICO
Electroqumica
Electroqumica 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 potenciometrito.
Corriente elctrica y movimiento de iones
Estequiometra de la electrolisis
Las 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- -> Na
Celdas 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).
Aniones
Celda electroltica
Una 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
96500C
Si 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).
IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Ecuacin 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.
Luego introducimos un electrodo de acero inoxidable con el tubo
con salida lateral (ctodo) en el vaso que contiene la solucin de
hidrxido de sodio hasta aproximadamente 1 cm. del fondo del
mismo.
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.
Apuntamos los resultados.
V. TABLA DE DATOS Y RESULTADOS
a) Condiciones de laboratorio
Presin (mmHg)
756
Temperatura
21
%Humedad Relativa
94
b) Celda galvanica
Concentracin de [Zn+2]
Concentracin de [Cu+2]
Potenciales tericos
Potenciales experimentales
0.1 M
0.1 M
1.1v
1.101 v
0.1 M
0.01 M
1.071 v
1.084v
0.1 M
0.001 M
1.042v
1.051 v
c) Celda electroltica
I(A)
V H2 (mL)
t(s)
T(C)
T(K)
0.6
20.0
261.7
21
294
d) Porcentajes de error en la celda galvnica
Potenciales tericos
Potenciales experimentales
% Error
1.1 v
1.101 v
-0.09
1.074 v
1.084v
-0.93
1. 042v
1.051v
-0.86
e) Porcentajes de error en la celda electroltica
Masa de H2 tericos (g)
Masa de H2 experimentales (g)
% Error
1.6272x10-3
1.6484 x10-3
1.29
VI. CALCULOS
a) Mediante la ec. De Nernst calcule el potencial de celda para
cada par de soluciones.
Ecuacin de Nernst
T = 25C=298K
R = 8.314 Jmol/K
n = 2
F = 96500 C
Potenciales tericos
Para [Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.1M
E(V)=1.1v
Para [Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.01M
E(V)=1.074v
Para [Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.001M
E(V)=1.042 v
Calculo de porcentaje de error
Para [Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.1M
%Error= -0.09%
Para [Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.01M
%Error= -0.93%
Para [Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.001M
%Error= -0.86%
b) Utilizando la ley de Faraday calcule la cantidad en gramos de
hidrogeno liberado en el ctodo y comprelo con el obtenido
experimentalmente.
Sea:
Donde:
M = masa de sustanciaPE. = peso equivalente de sustanciaI =
amperiost = tiempo en seg.
-Para nuestra experiencia:
t = 261.7 seg.
de hidrogeno
Segn nuestra experiencia se produjo 20 mL de hidrogeno:
Sabemos:
PV=RTn
Ademas:
P=756mmHg
T=21C=294K
=2 g/mol
V=20mL=0.02 L
R=62.4mmHg-L/mol-K
Reemplazando:
mexp=1.6484x10-3 g de Hidrogeno
Calculo de porcentaje de error
VII. Anlisis y discusin de resultados
En la primera parte del experimento (ecuacin de Nerst) obtuvimos
los potenciales tericos utilizando las ecuaciones de Nerst, al
compararlos con los potenciales experimentales obtuvimos errores
muy pequeos: 1.45%, -0.28% y -1.35%, esto se debi travs a la
precisin del voltmetro, a las concentraciones exactas de los
sulfatos y tambin q lijamos bien las laminas de zinc y de cobre, en
fin cumplimos con el cuidado necesario para el experimento.
En el experimento de la ley de Faraday (celda electroltica)
obtuvimos un error bastante grande 26.45, el error se puedo haber
producido por que en los clculos no se tomo en cuenta la presin de
vapor. Tambin por la graduacin del amperaje pudo no haber sido
exacta, o por un error en la medicin del tiempo.
VIII. Conclusiones
La celda galvnica esta basada en la oxidacin - reduccin donde se
produce un cambio en los #s de oxidacin de las sustancias, esta
reaccin produce un diferencial de potencial lo generando corriente
elctrica.
Los electrones tienen que fluir por el circuito externo desde el
electrodo negativo al positivo. En el electrodo negativo tiene
lugar la oxidacin y la reduccin se verifica en el electrodo
positivo. Esto es lo q genera la corriente elctrica.
La diferencia de potencial vara d forma directa con la
concentracin.
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
IX. Recomendaciones
Lavar bien los recipientes a utilizar par as evitar variaciones
en la concentraciones o quitarle pureza a las sustancias.
En el proceso de la celda electroltica hay que tener cuidado de
conectar los cables positivo y negativo de la fuente en sus
respectivos lugares ya que de producirse este error el experimento
estara completamente errado.
X. BIBLIOGRAFIA
http://es.wikipedia.org/wiki/Electroqu%C3%ADmica
http://www.electronica2000.info/2008/01/04/celda-electrolitica/
http://es.wikipedia.org/wiki/Electrolito
http://docencia.udea.edu.co/cen/electroquimicaII/sistemas/sistemas_4.php?t=4
XI. APENDICE
CUESTIONARIO
1. 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 que 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
oxigeno en el nodo.
]
[
]
[
ln
2
2
)
(
)
(
+
+
-
=
Cu
Zn
nF
RT
E
E
v
v
%
100
%
exp
-
=
teorico
teorico
V
V
V
Error
%
09
.
0
%
100
1
.
1
01
.
1
1
.
1
%
-
=
-
=
Error
%
93
.
0
%
100
074
.
1
084
.
1
074
.
1
%
-
=
-
=
Error
%
86
.
0
%
100
042
.
1
051
.
1
042
.
1
%
-
=
-
=
Error
C
t
I
PE
m
96500
)
(
=
g
1.6272x10
96500
7
.
261
6
.
0
1
-3
=
=
terica
m
M
m
RT
PV
=
T
R
M
V
P
m
H
=
2
M
%
29
.
1
%
100
10
6484
.
1
10
6272
.
1
10
6484
.
1
%
3
3
3
=
-
=
-
-
-
Error