Esperanza Martínez Mariana Guadalupe

POTENCIALES TERMODINAMICOS

A1. Objetivos de la práctica

Que el alumno conozca la importancia de los potenciales termodinámicos, su interpretación física y su aplicación en una reacción de óxido-reducción en una pila comercial.

Introducción

Potencial Termodinámico:

Se define potencial termodinámico a una variable de estado asociado a un sistema que tiene dimensiones de energía. Describe la cantidad de energía potencial disponible en el sistema termodinámico sujeta a ciertas restricciones (relacionadas con las variables naturales del potencial). Además los potenciales sirven para predecir bajo las restricciones impuestas qué cambios termodinámicos serán espontáneos y cuales necesitarán aporte energético.

Los potenciales más comunes son:

dU≤TdS-PdV

dH≤TdS+VdP

dG≤-SdT+VdP

dA≤-SdT-PdV

Potencial eléctrico:

El potencial eléctrico o potencial electrostático en un punto es el trabajo que debe realizar un campo electrostático para mover una carga positiva q desde el punto de referencia, dividido por unidad de carga de prueba. Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga unitaria q desde la referencia hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica. Matemáticamente se expresa por:

Trabajo eléctrico:

Considérese una carga eléctrica puntual en presencia de un campo eléctrico. La carga experimentará una fuerza eléctrica:

Esta fuerza realizará un trabajo para trasladar la carga de un punto A a otro B, de tal forma que para producir un pequeño desplazamiento la fuerza eléctrica hará un trabajo diferencial expresado como:

Donde se ha tenido en cuenta Teniendo en cuenta la expresión. Por lo tanto, integrando obtenemos que el trabajo total realizado por el campo eléctrico será:

Reacciones oxidación-reducción y su función en las baterías.

Las pilas básicamente consisten en dos electrodos metálicos sumergidos en un líquido, sólido o pasta que se llama electrolito. El electrolito es un conductor de iones.

Cuando los electrodos reaccionan con el electrolito, en uno de los electrodos (el ánodo) se producen electrones (oxidación), y en el otro (cátodo) se produce un defecto de electrones (reducción). Cuando los electrones sobrantes del ánodo pasan al cátodo a través de un conductor externo a la pila se produce una corriente eléctrica.

Problema

Determinar experimentalmente los potenciales termodinámicos (∆Hºr, ∆Gºr y ∆Sºr) a 298.15 K de una reacción de óxido-reducción que se efectúa en una pila comercial de óxido de plata-zinc (Ag2O-Zn) y explicar su interpretación física.

Cuestionario previo

1. ¿Qué es una reacción de óxido-reducción? R= son aquellas en las que hay trasferencia de electrones de una especie a otro.

2. . ¿Qué es una pila y cuál es el principio de su funcionamiento? R= Una pila es un dispositivo que convierte energía química en energía eléctrica; por un proceso químico transitorio, tras de lo cual cesa su actividad y han de renovarse sus elementos constituyentes, puesto que sus características resultan alteradas durante el mismo.

3. Investigar que es una pila de óxido de plata-zinc, cual es la reacción de óxido reducción que se lleva a cabo en ella y las aplicaciones de este tipo de pilas.

R= es una pila no recargable, electrolito seco, tamaño reducido, larga duración, voltaje constante y alta confiabilidad. Tiene aplicaciones en relojes, calculadoras, cámaras, marcapasos, aparatos auditivos. Ánodo Zn(s) + 2OH ZnO (s) + H2O (l) + 2eCátodo Ag2O (s) + H2O (l) + 2e 2Ag (s) + 2OH

Reacción Global Ag2O (s) + Zn (s) 2Ag (s) + ZnO (s)

4. ¿Qué es el potencial eléctrico? R= El potencial eléctrico en un punto es el trabajo que debe realizar una fuerza eléctrica (ley de Coulomb) para mover una carga positiva q desde el infinito (donde el potencial es cero) hasta ese punto 

5. ¿Qué es el trabajo eléctrico? R=  Es el trabajo que se necesita para mover una unidad de carga de un punto a otro del campo eléctrico

ФΔq donde Ф es el potencial eléctrico V y Δq es el cambio en la carga C

6. Escribir la relación que relaciona al trabajo eléctrico con el potencial eléctrico para una reacción oxido – reducción.

R= Energía que desarrollan electrones que se transfieren cuando son intercambiados entre dos especies químicas.

W elec=−qE Donde q= -nF

F=−eNA n número de e-

W elec=−nFE 1V = 1 J/C

7. Explicar la interpretación física de ΔGº cuando un proceso se lleva a cabo a presión y temperatura constantes.

R=

A t y P constates:

Si ΔG = 0 el sistema está en equilibrio

Si ΔG < 0 el proceso es espontaneo

Si ΔG >0 el proceso no es espontaneo

*proceso espontaneo es aquel que tiende a ocurrir sin la influencia de un agente externo.

8. Investigar la interpretación física de ΔHº y ΔSº cuando un proceso se lleva a cabo a presión constante.

R= ΔHº como calor transferido a P cte.ΔHº <0 proceso exotérmico

ΔHº> 0 proceso endotérmico

ΔSº como cambio del número de microestados.

ΔSº <0 disminución de número de microestados.

ΔSº >0 aumento del número de microestados.

9. ¿Cuál es la ecuación que relaciona a ΔGº con ΔHº y ΔSº a temperatura constante?

ΔG=ΔH−T Δ SdG=−SdT +VdP+δW (elec)

Si la temperatura y la presión son constantes:dG=δW (elec )ΔG=W (elec )

10.Explicar el criterio de espontaneidad y equilibrio asociado con ΔGº a temperatura y presión constantes.

R= es una función de estado con un criterio de espontaniedad y equilibrio que tma en cuenta al sistema y los alrededores de manera impilcita, a T y P constantes.

Sus variables naturales son T y P

Para un cambio finito

∆G ( sis )≤0

Si ΔG = o el sistema esta en equilibrio

Si ΔG < 0 el proceso es espontaneo

Si ΔG >0 el proceso no es espontaneo

11.Mencionar cuáles son los factores que afectan el signo de ΔGº en la ecuación que relaciona a ΔGº con ΔHº y ΔSº a temperatura y presión constantes.

12.

contribucion ∆Gr = ∆Hr − T∆Sr∆Hr > 0 reacción endotérmica

∆Sr > 0 incremento del desorden

Reacción desfavorable entálpicamente y favorable entrópicamente. Reacción favorable a altas T.

∆Hr > 0 reacción endotérmica

∆Sr < 0 disminución del desorden

Reacción desfavorable entálpicamente y entrópicamente. Reacción desfavorable a cualquier T.

∆Hr < 0 reacción exotérmica

∆Sr > 0 incremento del desorden

Reacción favorable entálpicamente y entrópicamente. Reacción favorable a cualquier T

∆Hr < 0 reacción exotérmica

∆Sr < 0 disminución del desorden

Reacción favorable entálpicamente y desfavorable entrópicamente. Reacción favorable a bajas T.

A4. Metodología Empleada

1.- Al darnos un circuito eléctrico diseñado especialmente para la pila dentro de un matraz Erlenmeyer con el aceite nujol, no fue necesario soldar como la práctica lo requiere.

2.- En un vaso de precipitados de 1000mL se introducirá el matraz Erlenmeyer con la pila y el aceite nujol a manera de bajar la temperatura agregando hielo con agua para alcanzar una temperatura mínima en equilibrio, midiendo su temperatura con un termómetro digital.

3.- Los cables que vienen integrados en el circuito serán conectados a un multímetro con la escala de voltaje para así registrar el potencial eléctrico una vez que el agitador magnético esté en funcionamiento y se registre un aumento debido al aumento de la temperatura.

4.- Para aumentar la temperatura y observar el cambio en el potencial eléctrico se necesitara una resistencia con la cual calentaremos 5 seg. Después dejaremos que se estabilice la temperatura y se anotara el potencial eléctrico, así durante 10 repeticiones para tener un mejor resultado en nuestra gráfica.

A7. Conclusiones

Nuestra reacción se genera de dos reacciones

Zn (s) + 2 OH−→ ZnO (s) + H2O (l) + 2e−  anodo Ag2O (s) + H2O (l) + 2e− → 2 Ag (s) + 2 OH−  catodo

Donde la reacción general es Ag2O (s) + Zn (s) → 2 Ag (s) + ZnO (s) 

Como podemos observar la plata es el reductor ganando 2 electrones y el zinc el agente oxidante perdiendo dos electrones. 

Todo esto se fundamentó con los potenciales termodinámicos donde nos dimos cuenta de que a mayor energía propiciada el potencial eléctrico disminuye lo cual nos hace referencia a que la pila en esta instancia va perdiendo su eficiencia.

Para sacar las entalpias de reacción fue necesario recurrir a la teoría para así poder obtener las energía libre de Gibbs y la entropía.

La energía libre de Gibbs nos indicó que la pila tiene una reacción exotérmica con una espontaneidad de acuerdo a la presión y la temperatura que mantuvimos contante.

Bibliografía

* Chang, fisicoquímica , tercera edición, McGraw Hill, México, 2008 pág. 165-170 , 356, 357 *Atkins, Jones Principios de química, tercera edición, Panamericana, México 2006, pag. 268,212, 246, 258.