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Universidad Nacional Mayor de San Marcos Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA E.A.P. DE INGENIERÍA INDUSTRIAL LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA INFORME Nº 06 ELECTROQUIMICA Grupo: Miércoles 2:00 pm – 5:00 pm Profesora: Qco. Claudia Villanueva Huerta LFQ-M-2-“B”
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N14 ELECTROQUIMICA planxa

Sep 26, 2015

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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

)

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)

(

+

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Cu

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RT

E

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teorico

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