PRACTICA No

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MXICO

FACULTAD DE INGENIERA

CIENCIAS BSICAS

Practica 11

ELECTROQUMICA. ELECTRLISIS DE DISOLUCIONES ACUOSAS Y CONSTANTE DE AVOGRADO.

OBJETIVOS

EL ALUMNO:

1.- CONOCERA EL APARATO DE HOFFMAN PARA LA ELECTROLISIS DEL AGUA.

2.- DETERMINARA LA RELACION ENTRE EL NUMERO DE MOLES DE HIDROGENO Y EL NUMERO DE MOLES DE OXIGENO EN LA MOLECULA D AGUA.

3.- CUANTIFICARA LA CARGA ELECTRICA GENERADA EN LA CUBA ELECTROLITICA, ASI COMO LA MASA DE LAS SUSTANCIAS PRODUCIDAS EN LOS ELECTRODOS.

4.- DETERMINARA EXPERIMENTALMENTE EL VALOR DEL NUMERO DE AVOGRADO.

INTRODUCCION

EN LA CONDUCCION ELECTROLITICA, LA CARGA ELECTRICA ES TRANSPORTADA POR IONES, Y NO OCURRIRA A MENOS QUE LOS IONES DEL ELECTROLITO PUEDAN MOVERSE LIBREMENTE. LA CONDUCCION ELECTROLITICA SE DA PRINCIPALMENTE EN LAS SALES FUNDIDAS Y EN DISOLUCIONES ACUOSAS DE ELECTROLITOS. AL CONTRARIO DE UNA REACCION REDOX EXPONTANEA, QUE DA LUGAR A LA CONVERSION DE ENERGIA QUIMICA EN ENERGIA ELECTRICA SE UTILIZA PARA PROVOCAR UNA REACCION QUIMICA NO ESPONTANEA.

EL AGUA EN CONDICIONES NORMALES NO SE DISOCIA ESPONTANEAMENTE PARA FORMAR HIDROGENO Y OXIGENO GASEOSOS, POR QUE EL CAMBIO DE ENERGIA LIBRE ESTNDAR PARA LA REACCION ES UNA CANTIDAD GRANDE POSITIVA.

SIN EMBARGO, ESTA REACCION PUEDE INDUCIRSE AL LECTROLIZAR EL AGUA EN UNA CUBA (APARATO DE HOFFMAN)ESTE APARATO CONSISTE EN LOS ELECTRODOS HECHOS DE UN MATERIAL POCO REACTIVO, COMO EL PLATINO, SUMERGIDOSEN AGUA. CUANDO LOS ELECTRODOS SE CONECTAN A UNA FUENTE DE ENERGIA ELECTRICA, APARENTEMENTE NO SUCEDE NADA, POR QUE EN EL AGUA PURA NO EXISTEN LOS SUFICIENTES IONES PARA TRANSPORTAR UNA CANTIDAD APRECIABLE DE CORRIENTE ELECTRICA ( EL AGUA PURA CONTIENE CONCENTRACIONES DE 1X10 M DE IONES Y 1 X 10 M DE IONES OH).

EN EL LABORATORIO DE QUIMICA PUEDE LLEVARSE AL CABO LA ELECTROLISIS DE DISOLUCIOES DE ACIDO SULFURICO, SULFATO DE POTASIO, SULFATO DE SODIO Y CLORURO DE SODIO. EN ESTA PRACTICA SE UTILIZARA UNA DISOLUCION DE SULFATO DE POTASIO 0.2 M.

EQUIPO Y MATERIAL

1)APARATO DE HOFFMAN CONSTITUIDO POR LOS ELEMENTOS SIGUIENTES:

UN SOPORTE DE VARILLA

UNA PLACA DE SUJECION CON ANILLO METALICO

UN CONTENEDOR DE VIDRIO DE 20 ML. CON MANGUERA DE Conexin

DOS ELECTRODOS DE PLATINO

DOS BURETAS DE VIDRIO DE 50 ML. CON LLAVE DE TEFLON, UNIDAS MEDIANTE UN TUBO DE VIDRIO

2) UNA FUENTE DE BAJO VOLTAJE

3)UN MULTIMETRO DIGITAL WAVETEK

4) TRES CABLES DE CONEXIN BANANA-BANANA

REACTIVOS

A) 250 ML. DE DISOLUCION DE SULFATO DE POTASIO 0.2 M.

B) DISOLUCION INDICADORA DEFENOLFTALEINA

DESARROLLO

ACTIVIDAD 1.

EL PROFESOR VERIFICARA QUE LOS ALUMNOS POSEAN LOS CONOCIMIENTOS TEORICOS NECESARIOS PARA LA REALIZACION DE LA PRACTICA Y EXPLICARA LOS CUIDADOS QUE DEBEN TENERSE EN EL MANEJO DEL EQUIPO.

ACTIVIDAD 2.

PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR LA ELECTROLISIS DEL AGUA

EL PROCEDIMIENTO PARA LLEVAR A CABO LA ELECTROLISIS DEL AGUA COMPRENDE LOS PUNTOS SIGUIENTES:

ARMADO DEL APARATO DE HOFFMAN

1.- ATORNILLE FIRMEMENTE LA VARILLA AL SOPORTE Y SUJETE LA PLACA DE SUJECION A LA VARILLA.

2.- COLOQUE EL ANILLO METALICO EN LA PARTE POSTERIOR DE LA PLACA DE SUJECION (ATORNILLE FIRMEMENTE).POSTERIORMENTE, AMBONE PRIMERO LA BURETA IZQUIERDA EN EL SUJETADOR IZQUIERDO, VERIFICANDO QUE LA GRADUACION QUEDE AL FRENTE.

3.- EMBONE LA BURETA DERECHA EN LOS SUJETADORES RESTANTES, EPEZANDO POR EL SUJETADOR SUPERIOR Y SUBA LAS BURETAS LO NECESARIO PARA PODER COLOCAR LOS ELECTRODOS, VERIFICANDO QUE ESTOS QUEDEN BIEN SUJETOS Y LO MS VERTICAL POSIBLE.

4.- CONECTE EL OTRO EXTREMO DE LA MANGUERA A LA ENTRADA QUE SE ENCUENTRA ENTRE LAS DOS BURETAS, DE TAL MANERA QUE LA MANGUERA PASE POR EL FRENTE DE ELLAS. EL SISTEMA EXPERIMENTAL CONSTITUIDO POR EL APARATO DE HOFFMAN, LA FUENTE DE BAJO VOLTAJE, EL MULTIMTRO Y LOS CABLES DE CONEXIN, QUEDARA ENSAMBLADO DE LA MANERA COMO SE MUESTRA EN LA SIGUIENTE FIGURA.

9.- UNA VEZ ENSAMBLADO EL DISPOSITIVO EXPERIMENTAL, ADICIONE LA DISOLUCION DE SULFATO DE POTASIO EN EL CONTENEDOR. DICHA DISOLUCION DEBERA CONTENER 10 GOTAS DE UNA DISOLUCION DE FENOLFTALEINA, AL ADICIONAR, CUIDE QUE LAS LLAVES DE AMBAS BURETAS ESTEN ABIERTAS.

10.- PARA LLENAR ADECUADAMENTE LAS BURETAS, SUBA EL CONTENEDOR HASTA QUE EL NIVEL DEL LIQUIDO LLEGUE A 2 ML. . EN ESE MOMENTO CIERRE LAS LLAVES DE LAS BURETAS.

PUESTA A PUNTO DEL DISPOSITIVO EXPERIMENTAL

1.- VERIFIQUE QUE LA FUENTE DE PODER SE ENCUENTRA APAGADA, CON TODAS LAS PERILLAS EN LA LECTURA MINIMA IZQUIERDA Y EL BOTON SELECTOR HACIA FUERA POSTERIORMENTE, CONECTE LA FUENTE.

2.- CONECTE LOS TRES CABLES BANANA-BANANA COMO SE MUESTRA EN LA FIGURA ANTERIOR.

3.- PARA TOMAR LAS LECTURAS DE CORRIENTE EN EL MULTIMETRO DEBE OPRIMIR LOS BOTONES SIGUIENTES: EL CUARTO DE IZQUIERDA A DERECHA SELECTOR DE AMPERES, EL CUARTO DE DERECHA A IZQUIERDA ESCALA DE LECTURA DE 200 MA. Y EL PRIMERO DE IZQUIERDA A DERECHA VALOR CUADRATICO PROMEDIO.

TOMA DE LECTURAS

1.- CON EL CRONOMETRO EN MANO, A LA VEZ QUE EMPIEZA A MEDIR EL TIEMPO, AJSTELO MAS RAPIDO POSIBLE LA FUENTE A 15.00 MOVIENDO SIMULTANEAMENTE LAS PERILLAS.

2.- EL SISTEMA DEBE PERMANECER EN CONTINUO FUNCIONAMIENTO DURANTE30-40 MINUTOS ANOTANDO CADA MINUTO EL VALOR DE CORRIENTE QUE SE OBSERVE EN EL MULTIMETRO.

3.- UNA VEZ TRANSCURRIDO EL TIEMPO DESEADO, RECORRA LAS PERILLAS DE FUENTE A LA MINIMA LECTURA Y ANOTE EL VALOR DE LOS MILILITROS DE DISOLUCION DESPLAZADOS ESPERE A QUE NO SE TENGAN BURBUJAS).

APAGADO DEL EQUIPO

1.- PONGA TODOS LOS BOTONES DEL MULTIMETRO HACIA FUERA DESCONCTELO, POR OTRO LADO, APAGUE LA FUENTE, DESCONECTELA Y DESCONECTE LOS CABLES BANANA-BANANA.

2.- PARA MEZCLAR LA DISOLUCION, ABRA LAS LLAVES DE LAS BURETAS Y SUJETANDO CON UNA MANO EL ANILLO METALICO, DESATORNILLELO, POSTERIORMENTE MEZCLE LA DISOLUCION CON MOVIMIENTOS DE ASCENSO Y DESCENSO DEL CONTENEDOR.

NOTA: PROCURE QUE LA DISOLUCION QUEDE LO MAS HOMOGENEA POSIBLE.

ACTIVIDAD 3

EN EL APENDICE DE ESTA PRACTICA SE ENCUENTRA EN EL TRATAMIENTO TEORICO PARA DETERMINAR LA MASA DE SUSTANCIA PRODUCIDA EN CADA UNO DE LOS ELECTRODOS Y EL VALOR EXPERIMENTAL DEL NUMERO DE AVOGRADO.

APENDICE

ASPECTOS CUANTITATIVOS DE LA ELECTROLISIS

EL TRATAMIENTO CUANTITATIVO DE LA ELECTROLISIS FUE DESARROLLADO POR FARADAY. L OBSERVO QUE LA MASA DEL PRODUCTO FORMADO ( O REACTIVO CONSUMIDO)EN EL ELECTRODO ERA PROPORCIONAL A LA CANTIDAD DE ELECTRICIDAD EMPLEADA EN LA ELECTROLISIS.

POR EJEMPLO: SE REQUIEREN DOS MOLES DE e PARA PRODUCIR UNA MOL DE MG METALICO Y TRES MOLES DE e PARA PRODUCIR UNA MOL DE AI METALICO.

Mg2+2e=Mg

AI3+3e-AI

Por lo tanto se requieren en ctodo:

2(F) para depositar 1 mol de Mg y.

3(F) para depositar 1 mol de AI

Donde F es el faraday, cuyo valor corresponde aproximadamente a 96 485.3 C.

EN UN EXPERIMENTO DE ELECTROLISIS GENERALMENTE SE MIDE LA CORRIENTE, EN AQUE FLUYE POR LA CUBA ELECTROLITICA EN UN INTERVALO DE TIEMPO DADO. LA RELACION ENTRE LA CARGA ELECTRICA, EN COULOMBIS(C), Y LA CORRIENTE ES:

A ( C)= 1(A)X1(S)

UN COULOMBIO ES LA CANTIDAD DE CARGA ELECTRICA QUE PASA EN CUALQUIER PUNTO DEL CIRCUITO EN UN SEGUNDO CUANDO LA CORRIENTE ES UN AMPERIO.

DETERMINACION DE CANTIDADES DE MASA PRODUCIDA

EL SIGUIENTE EJEMPLO MUESTRA COMO SE PUEDE REALIZARSE LOS CALCULOS DE LAS CANTIDADES DE SUSNTANCIAS PRODUCIDAS EN LA ELECTROLISIS DEL AGUA.

SE HACE PASAR UNA CORRIENTE DE O.5 (A) DURANTE 0.5 (h) A TRAVES DE UNA CUBA ELECTROLITICA QUE CONTIENE UNA DISOLUCION DE ACIDO SULFURICO 0.02 (M).ESCRIBA LAS REACCIONES QUE SE LLEVEN A CABO EN CADA UNO DE LOS ELECTRODOS Y CALCULE LA CANTIDAD DE PRODUCTOS (EN GRAMOS) FORMADA EN LOS ELECTRODOS.

RESPUESTA: EL PROCESO EN EL ANODO ES

2H2 O(l)-O2(g)+4H+(ac)+4e-

MIENTRAS QUE EN EL CATODO SE TIENE

4H+(ac)+4E---2H 2(g)

LA REACCION GLOBAL ESTA DADA POR:

ANODO (OXIDACION) 2H2 O(l)---O2(g)+4H+(ad)+4e-

CATODO (REDUCCION) 4H+(AC)+4E---2h2G

REACCION GLOBAL2H2O(l)---2h2(g)+O2(g)

LAS CATNIDADES DE H2 Y DE O2 GASEOSOS FORMADAS DEPENDEN DEL NUMERO DE ELECTRONES QUE PASAN A TRAVES DE LA CUBA ELECTROLITICA QUE, A SU VEZ, DEPENDEN DE LA CORRIENTE Y EL TIEMPO.

=0.5(A)X0.5(h)x3,600(s)x1(C)=900 c

1(H) 1(A.s)

YA QUE 1 F=96500, SE REQUIEREN 4 (F) PARA PRODUCIR 2 MOL DE H2 LA MASA DEL H2 FORMADO EN EL CATODO SE CALCULA DE LA FORMA SIGUIENTE:

(g)H2=900X1(f)X2 (mol)H2x2(g)H2=9.3264x103(g)H2

96500( c)4(f) 1(mol)h2

LA REACCION EN EL ANODO INDICA QUE SE PRODUCE 1 MOL DE O2 POR CADA 4 ( F), POR LO TANTO, LA MASA DE O2 PRODUCIDA ES:

(g) O2=900 x 1(F) x 1 (mol)O2 X32 (g) O2=74.6114X10-3(g)O2

96500 ( C) 4 (F) 1 (MOL)O2

DETERMINACION DEL NUMERO DE AVOGRADO

PARA DETERMINAR EL VALOR DE LA CONSTANTE DE AVOGRADO, SE CONSIDERA LA ACUACION CONCERNIENTE A LA PRODUCCION DE HIDROGENO GASEOSO EN LA ELECTROLISIS DEL AGUA:

2H+(ac) +2 e___H2g

2 moles de iones 2 moles de electrones 1 mol de molculas

ESTO DEMUESTRA QUE SE REQUIEREN 2 MOLES DE ELECTRONES PARA GENERAR 1 MOL DE HIDROGENO GASEOSO.

PARA ENCONTRAR L NUMERO DE MOLES DE HIDROGENO GASEOSO (n), se emplea la ecuacion del gas ideal

P.V=n.R.T

N= P.V.

R.T.

Por lo tanto L numero de moles de electrones empleados seria 2 n.

PARA DETERMINAR LA PRESION A LA CUAL SE ENCUENTRA L HIDROGENO GASOSO GENERADO, SE EMPLEA LA RELACION SIGUIENTE:

P=(B h-Ph2o)TORR

13.6

DONDE

B=PRESION AMBIENTE

H

13.6PRESIN DEL HIDROGENO EN (TORR)(presin en (mm) H2O DADA POR LA DIFERENCIA DE ALTURAS DE AGUA).

P AGUA=PRESION DE VAPOR DEL AGUA EN (TORR) A LA TEMPERATURA DE TRABAJO.

V=VOLUMEN DE HIDROGENO EN (DM3) O (L).

T=TEMPERATURA DEL GAS EN(K).

R=CONSTANTE DE LOS GASES IDEALES, 0.082(Latm)/(mol.k)

PARA ENCONTRAR L NUMERO DE ELECTRONES EMPLEADOS (Z) SE EMPLEA LA EXPRESION SIGUIENTE:

Z=DURACION DEL EXPERIMENTO SEG.(S)X CORRIENTE EN AMPERIOS(A)

E

DONDE e=CARGA ELEMENTALCUYO VALOR ES 1.602177X10-19(C/e-) DE AQU QUE LA CONSTANTE DE AVOGADRO SEA IGUAL A:

NA=Z/2n

A CONTINUACION, SE DA UN EJEMPLO DE CMO REALIZAR LOS CALCULOS, CON DATOS OBTENIDOS EXPERIMENTALMENTE, PARA DETERMINAR EL VALOR DE LA CONSTANTE DE AVOGADRO.

DATOS EXPERIMENTALES:

PRESION AMBIENTE (B)=580 (TORR)

DIFERENCIA DE ALTURAS DEL AGUA =359 (mm)H2O

VOLUMEN DE HIDROGENO COLECTADO=0.0434(dm3)

TEMPERATURA PROMEDIO DEL AGUA=24( c)

PRESION DE VAPOR DEL AGUA A 24 0C=22.4 (TORR)

CORRIENTE =0.096(A)

TIEMPO=60(MIN)

CALCULOS:

P=761(TORR)(359(mmH2O)X1(TORR)-224(TORR)=765(TORR)

13.6(mmH2O)

N=H2=P.V=765(TORRX1 (atm)x0.0434(L)

R.T. 760 (TORR)

0.082(L.atm)x24+273.15)K

MOL.K

Moles de electrones =1.79x10-3(moles) de H2X 2 (moles ) de e-=3.59x10-3moles de e-

1(moles) de H2

numero de electrones=0.096 (A)X60 (MIN)X60 (S)X1(C)X1(ELECTRON)=2.16x1021(elec.)

1(min) 1(A.s) 1.60x10-19(c )

numero de electrones =2.16x1021(electrones)=6.02x1023 (electrones)

moles de electrones 3.59x10-3(mol) DE e- (MOL)

LECTURAS

TIEMPO C/2

18

81.93

20

82.62

22

82.8

24

83.57

26

84.06

28

84.77

30

85.11

86.23

VOLUMEN (mm) 7.5 = 0+

VOLUMEN (mm) 16 = H+