ELECTRLISIS DEL AGUA - VERSIN AMPLIADA

CHEMDEMONo. 1145-00

ELECTRLISIS DEL AGUA - VERSIN AMPLIADA

Base Terica

Este equipo ilustra cmo se puede descomponer el agua en sus elementos por medio de una corriente elctrica:

2H2O(l) ( 2H2(g) + O2(g)

Se puede utilizar para resaltar dos importantes aspectos de la electrlisis del agua (secciones A y B). Tambin se puede calcular el valor del nmero de Avogadro o alternativamente la carga de un electrn (seccin C).

A. Estequiometra del agua

La formacin de gases muestra claramente que el paso de la corriente elctrica descompone el agua. Se puede observar que la relacin entre los volmenes de los gases acumulados es de 2:1, siendo esta la misma relacin atmica entre el hidrgeno y el oxgeno en la molcula de agua.

B. Oxidacin y reduccin del agua

Los cambios de pH ocurridos durante la electrlisis pueden ser detectados visualmente al agregar un indicador universal. El color rojo que aparece indica condiciones cidas mientras que el color azul indica condiciones bsicas.

Oxidacin (aparece el color rojo)

6H2O(l) ( O2(g) +4H3O+(aq)+ 4e-Reduccin (aparece el color azul)

4H2O(l) + 4e- ( 2H2(g) + 4OH-(aq)

Reaccin resultante

2H2O(l) ( 2H2(g) + O2(g)

C. Valor del nmero de Avogadro / carga de un electrn

Mediante este experimento se puede calcular el nmero de Avogadro o la carga de un electrn con una exactitud de un 90%. Principios Bsicos Involucrados Ley de la Conservacin de la Energa.

Ecuacin de los Gases Ideales. Suposiciones y Aproximaciones

El proceso electroltico es 100% eficiente.

La presin exterior durante el experimento es igual a 1 atmsfera.

La presin de vapor del agua en los gases acumulados es despreciable.

Clculos - Paso por Paso

1. La carga total que atraviesa la solucin se calcula empleando la intensidad de la corriente medida en el circuito y el tiempo durante el cual es aplicada.

2. A partir del volumen de hidrgeno acumulado en el tubo al finalizar la electrlisis, se calcula el nmero de moles del gas empleando la Ecuacin de Estado de los Gases Ideales.

3. El nmero de moles de hidrgeno y la estequiometra de la reduccin del agua se utilizan para calcular el nmero de moles de electrones involucrados en la electrlisis.

4. De la relacin entre la carga total (inciso 1) y el nmero de moles de electrones se obtiene la carga de un mol de electrones.

5. Este nmero, dividido por la carga de un electrn da el nmero de Avogadro.

6. Alternativamente, la carga de un mol de electrones (inciso 4), dividido por el nmero de Avogadro da como resultado la carga de un electrn.

Datos Experimentales:Tiempo = t

Corriente = I

Volumen de hidrgeno = V

Temperatura = T Datos Adicionales:Presin de la columna de hidrgeno, P ~ 1 atm (ver nota)

Constante de gas, R = 0.082 (latm/Kmol) Clculos:

1. Carga total, Q = I x t [Coulombios]

2. Moles de gas hidrgeno producido. Se substituye el volumen del gas acumulado en la Ecuacin de Estado de los Gases Ideales.

PV

nH2 =

RT

3. De la ecuacin de la reduccin del agua

2H2O(l) + 2e- ( H2(g) + 2OH-(aq)

se observa que se necesitan dos moles de electrones para producir un mol de hidrgeno; por lo tanto, el nmero de moles de electrones necesarios para producir nH2 moles de hidrgeno es:

ne- = 2 x nH 24. Dividiendo la carga total (Q) por este nmero se obtiene la carga de un mol de electrones.

Q

Qmol e- =

ne-

5. Finalmente el valor del nmero de Avogadro se calcula dividiendo la carga de un mol de electrones entre la carga de un electrn:

Qmol e- Qmol e-

Nmero de Avogadro = =

Qe- 1.6x10-19

6. Alternativamente, la carga de un solo electrn se obtiene dividiendo la carga de un mol de electrones (inciso 4) entre el nmero de Avogadro:

Qmol e-

Qe- =

6.02x1023 (El valor terico es 1.6x10-19 Coulombios)

Bibliografa:

Alyea, H.N., Dutton, F.B., Eds., "Tested demonstrations in Chemistry", 6th ed., Journal of Chemical education: Easton, Pennsylvania, 1965, p. 222.

Summerlin, L.R. Ealy, J. L., Jr. and Borgford, C. L. "Chemical Demonstrations: A sourcebook for Teachers", 2nd Ed., American Chemical Society: Washington D. C. 1988, Vol. 2, p. 203.

Instrucciones

El equipo consiste en:

1. Un aparato de electrlisis con ampermetro.

2. Dos bateras de 9 voltios.

3. Una botella vaca y cinco bolsas con solucin acuosa de sulfato de sodio (Na2SO4).

4. Una botella-gotero con indicador universal de pH.

5. Una pantalla blanca. (Est debajo del material de proteccin.)

6. Un gotero.

Modo de empleo:

Nota: La solucin de sulfato de sodio se provee en bolsas. Si planeas agregarle indicador universal, se recomienda pasar la solucin de la bolsa a la botella vaca para despus aumentarle el indicador.Cuando vaya a hacer funcionar el aparato, coloque las bateras en el conector correspondiente para bateras de 9 voltios; despus introduzca los clips tipo banana de los extremos de los cables en los enchufes que se encuentran en la base del aparato. Asegrese de conectar el clip banana rojo (positivo) en el enchufe rojo y el clip banana negro (negativo) en el enchufe negro.

Para desconectar el aparato temporalmente, saque uno de los clips de su enchufe. Una vez terminados los experimentos, desconecte las bateras para evitar un corto circuito si las terminales se tocan una a la otra.

Alternativamente, se puede usar una fuente de poder de corriente directa de 15 V a 24 V. Si desea utilizar la fuente de poder descrita, conctela a los enchufes correspondientes en la base del aparato por medio de dos cables con clips tipo banana en los extremos. Nuevamente, asegrese de conectar la terminal positiva en el enchufe rojo y la negativa en el enchufe negro.

Este equipo puede ser utilizado de dos formas diferentes:

I. Cualitativamente

- Para estudiar la relacin estequiomtrica en la molcula de agua.

- Para seguir los cambios de pH debidos a la reaccin redox del agua.

II. Cuantitativamente

- Para determinar (indirectamente) el valor del nmero de Avogadro o alternativamente la carga del electrn.

Para el experimento cualitativo, sigue las instrucciones de la Parte I, para el cuantitativo sigue las de la Parte II.

Al utilizar el aparato por primera vez, extrae de la caja la base blanca y el aparato mismo (con los tres tubos de plstico). Observa que en la parte inferior del aparato sobresalen dos tornillos con dos tuercas, uno en cada extremo. Desatornilla las tuercas. Toma la base, introduce los tornillos del aparato en los orificios, sostn las dos piezas unidas, voltalas e introduce los dos anillos que se encuentran en los extremos de los cables elctricos en los tornillos. Atornilla las tuercas firmemente. Ahora el equipo est listo para ser utilizado (ver figura 1).

Parte I (Cualitativa) - Coloca sobre la mesa de trabajo el aparato de electrlisis.

- Abre las llaves sujetndolas con una mano y hacindolas girar con la otra. (Tres vueltas son suficientes).

- Toma una de las soluciones de sulfato de sodio.

- Si deseas observar los cambios de pH durante la electrlisis, agrega 15 gotas de indicador universal a la solucin salina.

- Vierte la mayora de la solucin en el tubo central del aparato e inclnalo hacia ambos lados para liberar el aire atrapado. Seguidamente, agrega ms solucin hasta que sta alcance el nivel cero en la escala de los tubos de plstico transparente (ver figura 1).

En caso de que la solucin se pase del nivel adecuado, es imprescindible retirar el exceso. Para esto pon el gotero en la abertura del tubo central por donde vertiste anteriormente la solucin y extrae el sobrante.

- Coloca la pantalla blanca en la parte de atrs de la base del aparato de electrlisis (ver figura 2). Conecta ambas bateras y deja las llaves abiertas durante aproximadamente medio minuto.

- Cierra las llaves; ahora puedes comenzar el experimento.

- Si utilizaste el indicador universal, observars, a medida que la electrlisis progresa, cambios de color en la vecindad de los electrodos.

- Al cabo de veinte minutos podrs observar que los volmenes de los gases acumulados corresponden a la relacin atmica del agua.

Al terminar el experimento:

1. Desconecta las bateras.

2. Vierte la solucin en el lavabo o a la botella original.

3. Enjuaga bien el aparato con agua corriente. Abstente de usar solventes orgnicos.

Advertencia: Utiliza slo soluciones preparadas por Science Demo Ltd., soluciones neutras o de baja concentracin de cidos o bases. Evita la exposicin del aparato a cualquier fuente de calor o a los rayos directos del sol.

Parte II (Cuantitativa)

- Coloca sobre la mesa de trabajo el aparato de electrlisis.

- Abre las llaves sujetndolas con una mano y hacindolas girar con la otra. (Tres vueltas son suficientes).

- Toma una de las soluciones de sulfato de sodio. Vierte la mayora de la solucin en el tubo central del aparato e inclnalo hacia ambos lados para liberar el aire atrapado. Seguidamente, agrega ms solucin hasta que sta alcance el nivel cero en la escala de los tubos de plstico transparente (la base de las llaves grises, vase la figura 2). Si la solucin se pasa del nivel adecuado, es imprescindible retirar el exceso. Para esto pon el gotero en la abertura del tubo central por donde vertiste anteriormente la solucin y extrae el sobrante.

- Conecta ambas bateras en los lugares correspondientes y deja las llaves abiertas durante aproximadamente medio minuto.

- Cierra las llaves. Mide el tiempo desde el momento en que cerraste las llaves con la precisin de un segundo.

- Mide la intensidad de la corriente. Anota la lectura del ampermetro a intervalos fijos y si la corriente no es estable, calcula el promedio de las lecturas.

- Mide la temperatura ambiente.

- Transcurridos aproximadamente 20 minutos, desconecta las bateras, anota el tiempo medido exactamente desde el comienzo de la electrlisis.

- Mide el volumen de gas hidrgeno acumulado.

- A partir de estos datos experimentales, calcula el valor del nmero de Avogadro o alternativamente la carga de un electrn, tal como se muestra en la base terica.

Al terminar el experimento:

1. Vierte la solucin en el lavabo o a la botella original.

2. Enjuaga bien el aparato con agua corriente. Abstente de usar solventes orgnicos.

Advertencia: Utiliza solo soluciones preparadas por Science Demo Ltd., soluciones neutras o de baja concentracin de cidos o bases. Evita la exposicin del aparato a cualquier fuente de calor o a los rayos directos del sol.

Nivel de la solucin

Figura 1

Rojo

Negro

Figura 2

La presin atmosfrica puede variar en distintas ciudades. Al utilizar este equipo por primera vez, toma en cuenta estas variaciones y cercirate de que la presin atmosfrica en tu localidad sea aproximadamente de una atmsfera. En caso de que no lo fuera, sustituye el dato correcto en donde sea necesario (presin de la columna de hidrgeno). Por ejemplo, en la Ciudad de Mxico la presin atmosfrica promedio es de 582.5 mm Hg (0.77 atm).

Nota que las unidades para el clculo deben estar dadas en: amperios para la corriente (I), segundos para el tiempo (t), litros para el volumen (V) y grados Kelvin para la temperatura (T).

La adicin del indicador universal puede afectar ligeramente la razn de los volmenes de los gases producidos.

Science Demo. Ltd. CHEMDEMO (1,770,901 Series, 2000