II

Ao de la Diversificacin Productiva y del Fortalecimiento de la Educacin

Informe de laboratorio de Fisicoqumica

Laboratorio N 06:

ELECTROQUMICA

Horario

: viernes: 6:00 9:00 p.m.

Grupo : D

Miguel ngel Chumberiza Hurtado 14170171

FACULTAD: INGENIERA INDUSTRIAL

E.A.P: INGENIERA INDUSTRIAL

Becky Mirella Merino Borda 14160134

FACULTAD : INGENIERA GEOLOGICA

E.A.P: INGENIERA GEOLGICA

Profesor : Francisco Torres

Fecha de Entrega: viernes 5 de junio de 2015NDICE

I. INTRODUCCINEl 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%.

La energa elctrica es una de las formas de energa de mayor importancia prctica para la vida contempornea. 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.

III. FUNDAMENTO TEORICO

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

1. Celdas galvnicas, voltaicas o pilas

Funcionan espontneamente.

Utiliza una reaccin qumica para realizar trabajo elctrico.

Funcionamiento:

Ejemplo: Pila Zn(s) /Zn+2(a=1) // Cu+2(a=1) /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).

Potencial de celda a condiciones estndar es: E= + 1.100V Cambio de energa libre para esta reaccin : G = -n F E

Potencial de celda a otras condiciones:

2. 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

96500C m= masa en gramos de la sustancia

PE= peso equivalente

I= intensidad en amperios

t= tiempo en segundos

C= carga en coulomb

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1) 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.

2) 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.

VI. CALCULOS a) Mediante la ec. De Nernst calcule el potencial de celda para cada par de soluciones.

Potenciales tericos: Potencial de celda a condiciones estndar: E = +1.100 V Potencial de celda en condiciones diferentes , se aplica la Ecuacin de Nernst:

T = 22C=295K

R = 8.314 Jmol/K

n = 2

F = 96500 C

Potenciales experimentalesPara [Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.1M

E(V)=1.09v

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

E(V)=1.07v

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

E(V)=1.06 v

Calculo de porcentaje de error

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

%Error= 0.9%

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

%Error= 0%

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

%Error= -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.

Sea:

Donde:

M = masa de sustanciaPE. = peso equivalente de sustanciaI = amperiost = tiempo en seg.

-Para nuestra experiencia:

t = (193 + 329) / 2 =261 seg.

I=0.4 A

Sea el PE = Pf/n = 2/2 = 1 g/eq-g

de hidrgeno

- Calculando la masa tericamente:

Tenemos: V = 15 mL = 0.015L

P = 756 mmHg

T = 24 C = 297 K

=2 g/mol

R=62.4mmHg-L/mol-K

Sabemos:

PV=RTn

Reemplazando: mterica = 1.2 x 10-3 g de HidrogenoCalculo 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: 0.9%, 0% y -1.082%, 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 grande 10%, 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.

V. TABLA DE DATOS Y RESULTADOS

a) Condiciones de laboratorio

Presin (mmHg)756

Temperatura (C)22

%Humedad Relativa96

b) Celda galvanica

Concentracin de [Zn+2]Concentracin de [Cu+2]Potenciales tericosPotenciales experimentales

0.1 M0.1 M 1.1v1.09 v

0.1 M0.01 M1.07 v1.07v

0.1 M0.001 M 1.041v1.06 v

c) Celda electroltica

I(A)V H2 (L)t(s)T(C)T(K)

0.60.01526122295

d) Porcentajes de error en la celda galvnica

Potenciales tericosPotenciales experimentales% Error

1.1 v1.09 v 0.9

1.07 v1.07v 0

1. 041v1.060v -1.82

e) Porcentajes de error en la celda electrolticaMasa de H2 tericos (g)Masa de H2 experimentales (g)% Error

1.2x10-31.08 x10-310

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 http://www.ciens.ucv.ve/eqsol/Electroquimica/Clases/clases/P4.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/Bater%C3%ADa_recargable#Funcionamiento http://es.slideshare.net/DarkYoshi0307/leyes-de-faraday-de-la-electrolisisXI. CUESTIONARIO1) Describa un ejemplo en detalle el diagrama de una celda electroqumica:La celda electroltica transforma una corriente elctrica en una reaccin qumica de oxidacin-reduccin que no tiene lugar de modo espontneo. En muchas de estas reacciones se descompone una sustancia qumica por lo que dicho proceso recibe el nombre de electrolisis. Tambin se la conoce como cuba electroltica. A diferencia de la celda voltaica, en la celda electroltica, los dos electrodos no necesitan estar separados, por lo que hay un slo recipiente en el que tienen lugar las dos semirreacciones.

Ejemplo:

Una pila o batera recargable (tambin llamada acumulador recargable) es un grupo de una o ms celdas electroqumicas secundarias. Batera de cido-plomo de 12 V y 7.0 Ah Pila recargable de nquel-metal hidruro (NiMH) tamao AA, de 2500 mAh (1.2 V, 3 Wh.)Las bateras recargables usan reacciones electroqumicas que son elctricamente reversibles, es decir:

Cuando la reaccin transcurre en un sentido, se agotan los materiales de la pila mientras se genera una corriente elctrica.

Para que la reaccin transcurra en sentido inverso, es necesaria una corriente elctrica para regenerar los materiales consumidos.

Las bateras recargables vienen en diferentes tamaos y emplean diferentes combinaciones de productos qumicos. Las celdas secundarias ("batera recargable") utilizadas con ms frecuencia son las de plomo-cido, la de nquel-cadmio (NiCd), la de nquel-metal hidruro (NiMH), la de iones de litio (Li-ion), y la de polmero de iones de litio (polmero de Li-ion).2) Mediante un ejemplo dscriba la importancia de la segunda ley de Faraday.

1 a ley de Faraday de la electrlisis - La masa de una sustancia depositada en un electrodo durante la electrlisis es directamente proporcional a la cantidad de electricidad transferida a este electrodo. La cantidad de electricidad se refiere a la cantidad de carga elctrica, que en general se mide en coulombs. 2 a ley de Faraday de la electrlisis- Para una determinada cantidad de electricidad (carga elctrica), la masa depositada de una especie qumica en un electrodo , es directamente proporcional al peso equivalente del elemento. El peso equivalente de una sustancia es su masa molar dividido por un entero que depende de la reaccin que tiene lugar en el material.Ejemplo:Dos pilas electroliticas se colocaron en serie; una contenia una solucion de nitrato de plata; la otra, una solucion de sulfato cuprico. S epaso corriente electrica por las pilas hasta que se depositaron 1.273g de plata

Calcula la cantidad de cobre que se deposito al mismo tiempo.

3) Describa el funcionamiento del electrodo estndar de hidrgeno EEH:

Un electrodo estndar de hidrgenotambin llamadoelectrodo normal de hidrgenoes unelectrodoredoxque forma la base de latabla estndar de potenciales de electrodos. Su potencial absoluto se estima en 4.40 0.02 V a 25C, pero para realizar una base de comparacin con cualquier otra reaccin electroltica, el potencial electroltico delhidrgeno(E0) se fija como 0 en todas las temperaturas.Los potenciales de cualquier otro electrodo se compara con el estndar a la misma temperatura.

El electrodo de hidrgeno se basa en la semiceldaredox:

2H+(aq) + 2e- H2(g)

Esta reaccin de oxidacin-reduccin ocurre en un electrodo deplatino.

El electrodo es sumergido en una solucin cida y se bombea hidrgeno gaseoso a travs de l. La concentracin de formas oxidadas y reducidas se mantiene como una unidad. Esto implica que la presin de hidrgeno gaseoso es igual a 1bary la concentracin de hidrgeno en la solucin es 1mol.

Laecuacin de Nernstdebe desarrollarse as:

O

Donde:

aH+es laactividadde los iones de hidrgeno,aH+=fH+CH+/C0 pH2es la presin parcial delhidrgenogaseoso , enpascales, Pa

Res laconstante universal de los gases ideales Tes la temperatura, en Kelvin.

Fes laconstante de Faraday(carga por mol de electrones), igual a 9.6485309*104C mol-1 p0es la presin estndar 105en Pa

3

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