Facultad de Ingeniera

Escuela de Qumica

Laboratorio de Anlisis Cuantitativo.

REPORTE 4

ELECTROGRAVIMETRA

Guatemala 02 de agosto de 2014

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RESUMEN

Durante la prctica se tuvo como fin, el estudio de la gravimetra aplicada a una reaccin

oxido-reduccin con el fin de reducir cobre, de una solucin de sulfato de cobre

pentahidratado, se utiliz zinc como agente reductor.

Para ello se prepar un solucin de sulfato de cobre pentahidratado 0.1M en 100ml de

agua, al que se le agrego zinc slido. Se dio la reduccin de cobre, lo cual se traduce a que

se obtuvo un precipitado de cobre. Luego se sec la muestra.

Mediante clculos estequiomtricos se determin el peso del precipitado si la reaccin se

hubiese dado al 100%, a partir de ello y el peso del precipitado experimental, se

determino el porcentaje de cobre recuperado.

Adems se describieron las reacciones involucradas en el proceso, as tambin, se

calcularon las constantes involucradas en la reduccin de cobre a partir del zinc.

Se recuper 86.08% de cobre, el valor de la constante de equilibrio fue de 2.9110y el

valor de potencial total de la reaccin fue de 1.10V. La cual se asumi estndar.

Se trabaj a una temperatura ambiente de 23 C y a una presin atmosfrica de 0,9 atm

para la ciudad de Guatemala.

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OBJETIVOS

Estudiar el equilibrio oxido-reduccin

1. Analizar el equilibrio redox de la reduccin de cobre con zinc metlico

2. Determinar las reacciones de sustitucin que se dan en la reaccin

3. Calcular las constantes involucradas en la reaccin

4. Determinar el porcentaje de cobre recuperado

1. Marco Terico

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A diferencia de otro mtodo, en la electro gravimetra es necesario que haya una corriente

elctrica considerable a lo largo del proceso analtico. Cuando pasa corriente en una celda

electroqumica, el potencial de la celda ya no es simplemente la diferencia entre los potenciales de

los electrodos: el ctodo y el nodo (o potencial termodinmico). Debido a este proceso es

necesario aplicar potenciales mayores a los potenciales termodinmicos.

Este es un mtodo de anlisis cuantitativo, se basa en el fenmeno de la electrolisis y consiste en

electrolizar una solucin de la muestra que se va a analizar, la cual se deposita cuantitativamente

en los electrodos de la celda electroltica. Esta electrolisis se realiza usando electrodos de gran

superficie en soluciones bien agitadas hasta una deposicin completa. En la prctica, el electrodo

sobre el que se deposita la especie electroactiva, se pesa antes y despus de la electrolisis, la

diferencia de masa producida por el material depositado conduce al resultado final.

La electrolisis est regida cuantitativamente por las leyes de Faraday y por las reacciones en los

electrodos. La primera ley de Faraday dice: la masa de cualquier sustancia, depositada o disuelta

en el electrodo, es proporcional a la cantidad de electricidad (culombios) que pasa a travs

del electrolito. La segunda ley nos dice: las masas de diferentes sustancias depositadas o

disueltas en un electrodo por un mismo nmero de culombios son proporcionales a sus pesos

equivalentes. Para descomponer un equivalente gramo de cualquier electrolito o para liberar un

equivalente gramo de cualquier anin o catin se requiere la cantidad de 96500 culombios, esta

cantidad de electricidad se denomina faradio (F).

En este caso se utilizo una celda galvanica, no se hizo pasar corriente por los reactivos. Las

reacciones de desplazamiento son reacciones en el cual tomos de un elemento remplazan a

tomos de otro elemento en un compuesto, todas las reacciones de desplazamiento simple son

reacciones denominadas redox, los elementos que estn en un estado de oxidacin cero se hacen

iones. Estas reacciones simples de desplazamiento se pueden agrupar en tres tipos:

Un metal de un elemento desplaza a un ion metlico de otro elemento en solucin

Un metal de un elemento desplaza gas hidrogeno de un cido o del agua

Un elemento halgeno desplaza a otro elemento halgeno

2. Marco Metodolgico

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Figura 1. Diagrama de metodologa experimental

Fuente: Elaboracin Propia

3. Resultados

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Tabla 1. Porcentaje de cobre recuperado y constantes de reaccin.

% de Cu recuperado 86.08%

Potencial total 1.10V

Constante de equilibrio Keq 2.9110

Fuente: Datos calculados

Tabla 2. Reacciones involucradas durante la experimentacin.

Etapa Reaccin.

Disociacin CuSO4*5H2O Cu+2 + SO4-2

Media reaccin de oxidacin (nodo) Zn(s) Zn+2+2e-

Media reaccin de reduccin (ctodo) Cu+2+2e- Cu(s)

Redox total Zn(s)+Cu+2Zn+2+Cu(s)

Reaccin secundaria Zn(s) + 2HCl ZnCl2 + H2(g)

Reaccin terica Neta CuSo4*H2O + Zn(s) ZnSO4 + Cu(s) +

5H2O

Fuente: Datos calculados

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4. Discusin de resultados

Se prepar una solucin de 100ml de sulfato de cobre pentahidratado 0.1M, al cual se le

agreg 25% de masa de zinc, el porcentaje fue en base a los moles de CuSO4*5H2O que se

agregaron en la solucin. Adems se agreg cido clorhdrico como agente catalizador en un

30% ms respecto del sulfato de cobre utilizado.

El proceso que se analiz hace referencia a un mtodo gravimtrico, ya que durante la

reaccin hubo un intercambio de electrones, aunque no hubo corriente elctrica externa.

Pero si se dio una diferencia de potencial durante la reaccin, lo cual propicio la precipitacin

del cobre como elemento puro.

Se aplic agitacin, para poder provocar el intercambio de electrones, se observ como el zinc

se torn de un color oscuro, y luego de unos minutos, comenz a depositarse un precipitado

rojo oscuro, y conforme la reaccin avanz, el color azul del sulfato fue desapareciendo, hasta

que la solucin se torn clara y un precipitado en el fondo.

El fenmeno a nivel molecular se dio as; los electrones fluyen por el medio acuoso desde el

nodo hacia el ctodo. Los electrodos son atrados hacia el ctodo positivo desde el nodo

negativo a lo largo debido a una diferencia de potencial. Un ion Cu2- que entro en contacto

con el tomo de zinc, hizo que se

Transfirieran dos electrones directamente de un tomo de Zn al ion Cu2-, y el resultado es un

ion Zn-2 y un tomo de Cu.

El ion Zn2_ emigr de la disolucin acuosa, causada por la adicin de acido clorhdrico de esta

manera

Zn(s) + 2HCl ZnCl2 + H2(g)

Los tomos de Zn estaban presentes como iones, y se presenciaba un gas que irritaba la

garganta, como se observa, era el hidrogeno gaseoso, y dado que se aliment un exceso de

zinc y cido clorhdrico, parte de ellos ayudaron en la precipitacin de cobre y el resto quedo

como cloruro de zinc, parte del acido quedo en solucin y el resto paso a gas como hidrogeno

molecular.

Mientras tanto, el tomo de Cu permanece depositado sobre sobre el tomo de zinc, esto se

pudo observar, cuando se agregaron los grnulos de zinc y este tomo un color oscuro y se

vea como los grnulos de zinc se oscurecan, pero luego de la agitacin, parte del zinc se

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oxido, no siendo apreciable a la vista, luego de unos minutos de agitacin, los grnulos de zinc

no haba ionizado y la solucin ya era transparente, por lo que ese zinc, fue el zinc en exceso.

A medida que la reaccin avanz, se produjo cada vez ms Cu(s) y desaparece el Cu2-(ac). En

una reaccin oxido-reduccin siempre existe un agente oxidante y uno reductor, en este caso

el oxidante fue el zinc, debido a que este perdi dos electrones y el reductor fue el cobre.

El nodo para esta reaccin es el agente que se oxida, para este caso fue el zinc, su media

reaccin fue la siguiente:

Zn0 Zn+2+ 2e-

Y la el ctodo es el agente que se redujo:

Cu+2+2e- Cu0

El superndice 0 indica que el elemento est en su estado basal, en este caso fue solido

La reaccin neta, se obtiene haciendo un balance de cargas

Zn0+Cu+2 Cu0+Zn+2

La transferencia de electrones de provoc una diferencia de potencial entre el nodo y el

ctodo, esto un potencial estndar de reduccin proporciona una medida de la fuerza motriz

de la reduccin.

Segn la experimentacin realizada se pudo observar que esta reaccin fue espontanea, es

decir, sucedi por s misma, sin la necesidad de aplicar una fuerza externa que hiciera mover

los electrones, lo cual pudiese haber sido una corriente elctrica.

El potencial o fem de celda para esta reaccin es el voltaje necesario para hacer fluir los

electrones de nodo al ctodo, en este caso se obtuvo un valor de 1.10 V, positivo, con lo

cual se confirma que es una reaccin espontnea [Ref. 3]. Se trabaj a una temperatura

ambiente de 23 C, pero se asumi que el valor de la fem no variaba respecto de una

temperatura de 25 C a la cual esta el valor del potencial de celda reportado.

Tambin se calcul el valor de la constante de equilibrio para la reaccin, mediante la

ecuacin de Nerst [Ref. 2] y se hall un valor de Keq = 2.9110, fue un valor muy grande, con

lo que se dio a entender que los iones Cu+2 son muy inestable en solucin y en presencia del

tomos de zinc metlico.

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Las reacciones no se dan al 100% en la vida real, pero en este caso se pudo haber obtenido

un rendimiento del 90% como mnimo, pero debido al estado fsico de los reactivos, en este caso

se utilizo grnulos de zinc muy grandes, y al momento de la reaccin, solo se formo un crter en el

centro de cada granulo y se deposito el cobre sobre estos. La reaccin continuaba, pero

nicamente entre el zinc y el acido, y para cuantificar el precipitado, fue necesario retirar los

grnulos de zinc, se intento limpiar pero en cada uno quedo depositado una cantidad considerable

de cobre como elemento, adems de las perdidas por adherencia a la cristalera. El rendimiento

fue nicamente del 86%.

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5. Conclusiones

1. El nodo fue el agente reductor, zinc.

2. El ctodo fue el agente oxidante, cobre en solucin.

3. El tomo de cobre fue desplazado por el zinc

4. El porcentaje de recuperacin e cobre fue de 86.08%

5. El proceso de xido-reduccin de cobre y zinc, fue espontaneo debido a los dos distintos

potenciales de reduccin.

6. Los procesos espontneos tienen un valor de potencial de reaccin positivo

7. El valor del potencial de la reaccin fue de 1.10V

8. El valor de la constante de equilibrio fue de Keq = 2.9110

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6. Bibliografa

1. Brown, Lemay y Busten. Qumica la ciencia central. Editorial Pearson. 9 Edicin.

Capitulo 21.

2. Ecuacin de Nerst Consultado el 10/9/2012. Disponible en:

www.galeon.hispavista.com/scienceducation/fisicoquimica16.html -

3. Electro gravimetra Consultado el 17/9/2011. Disponible en:

http://es.wikipedia.org/wiki/Electrogravimetr%C3%ADa

4. error relativo: Consultado el 10/9/2012. Disponible en:

http://www.afinidadelectrica.com.ar/articulo.php?IdArticulo=141

5. Gary D. Christian. Qumica Analtica Sexta Edicin. Editorial Mc. Graw Hill. Capitulo

12, pg. 354-367.

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7. Apndice

a. Muestra de Clculo

1. Determinacin del porcentaje de cobre recuperado

Segn la reaccin

Ecuacin 1. [Ref. 2]

CuSO4*5H2O + Zn ZnSO4 + Cu(s)

La reaccin es 1:1

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2. Calculo del potencial de la reaccin.

Ecuacin 3.

ECelda0 = Ered

0 (catodo) Ered0 (anodo)

Ecuacin 4

nodo

Zn(s) Zn+2+2e- E0red = -0.763V

Ecuacin 5

Ctodo

Cu+2+2e- E0red = +0.337V

Ejemplo:

ECelda0 = +0.337V (0.763)V

Ecelda = +1.10 V

Nota: se asumi que el potencial a 23oC no se desva considera lente del potencial estndar

(25oC)

b.

c.

d.

e.

f.

g.

h.

i.

j.

k.

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b. Datos calculados.

Tabla 3. Datos calculados.

Dato Valor

Reactivo limitante CuSO4*5H2O

Peso del precipitado recuperado terico 0.635g

Peso del precipitado experimental 0.547g

Rendimiento de la reaccin 86.08%

Potencial total de la reaccin 1.10V

Constante de equilibrio de reaccin 2.9110

Fuente: muestra de clculo y experimentacin.

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c. Anlisis de error

Error relativo

Ecuacin. 7 Ref. [5]

g =m

m

Donde:

g: error relativo del peso de la masa.

m: incerteza de la balanza

m: valor de la masa.

Ejemplo:

Calculo del error relativo de los gramos de CuSO4*5H2O.

g =0.01

2.50= 0.04g

Nota: el mismo clculo aplic para los gramos de zinc y cobre recuperado

Tabla 4. Errores relativos.

Error relativo(CuSO4*5H2O) Error relativo(zinc) Error relativo(Cu)

0.004 2.4*10-2 0.02

Fuente: anlisis de error.