UAGro UAGro UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE GUERRERO FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICO-BIOLÓGICAS 3-1-2018
UNIDAD DE APRENDIZAJE: Química inorgánica PROFESOR FACILITADOR: QBP. Víctor Castro Domínguez REPORTE DE PRÁCTICA N°14: Electrólisis. ALUMNOS: Denilson Aldair Bautista Chula Iris Habana Martínez Escarlet Maleny Mendoza Renteria Guadalupe Yovania de la Cruz Zaragoza
CARRERA: Químico Biólogo Parasitólogo. GRUPO: 102 SEMESTRE: 1er semestre LUGAR Y FECHA: Chilpancingo de los Bravo, a 3 de enero del 2018.
PROCESO N°14:
Electrólisis. INTRODUCCIÓN: ¿Qué es la electrolisis del agua?
La electrólisis del agua es la descomposición de agua (H2O) en los gases oxígeno (O2) e hidrógeno (H2) por medio de una corriente eléctrica a través del agua. Una fuente de energía eléctrica se conecta a dos electrodos, las cuales son puestos en el agua. En una celda apropiadamente diseñada, el hidrogeno aparecerá en el cátodo (el electrodo negativamente cargado, donde los electrones son bombeados al agua), y el oxígeno aparecerá en el ánodo (el electrodo positivamente cargado). ¿Qué es el aparato de Hoffman?
El aparato de Hoffman fue inventado con el fin de separar los compuestos del agua por medio de la electrólisis. La palabra electrólisis viene de las raíces electro (electricidad) y lisis (separación). El fin del aparato es comprender la conformación del agua por hidrógeno y oxígeno. Tres tubos conforman el aparato, de los cuales dos son verticales y uno horizontal. A los tubos verticales se les dan cargas opuestas, de tal manera que el que tiene una carga positiva se conoce como ánodo y la carga negativa como cátodo. El cátodo da la posibilidad de observar el hidrógeno, mientras que en el ánodo se observa el oxígeno. El nivel del agua disminuye significativamente más en el cátodo que en el ánodo, debido a que el agua se constituye en mayor parte por hidrógeno y al separarla éste es más abundante.
Composición del agua y sus características.
La molécula del agua está compuesta por dos átomos de hidrogeno (H+) y uno de oxigeno (O-), estos átomos se unen al compartir electrones, el enlace llamado enlace covalente. El agua es una molécula que atrae a muchos más compuestos y elementos debido a su polaridad. por ejemplo, con la sal, la molécula de agua orienta sus polos en función de las cargas de los electrolitos, separando los polos negativos con los polos positivos. ¿Para qué sirve la pila en la electrólisis?
La pila sirve para generar una corriente eléctrica mediante una reacción química. En el experimento las partículas del agua se separan con la ayuda del voltaje de la pila, para dar como resultado Hidrógeno y iones de OH. Un electrodo es un elemento que está conectado al extremo de una pila, el que está conectado a la parte positiva se llama ánodo y el que está en la parte negativa se llama cátodo. Lo que sucede al introducir los electrodos en la disolución es que las cargas positivas que son los átomos de sodio y los de hidrógeno serán atraídos hacia el cátodo y los átomos de cloro serán atraídos por el ánodo. Se produce una reacción química de reajuste de manera que el hidrógeno del agua se convierte en H2 que es el gas que vemos como sube en forma de burbujas, y el sodio se junta con el conjunto OH- que el hidrógeno ha abandonado generando sosa caustica o NaOH. Y en el cloro pasa algo parecido, como lo que le pasa al hidrógeno. En el reajuste los átomos de cloro que pierden sus electrones en el ánodo se juntan para dar lugar al Cl2, cloro en forma gaseosa, al que le cuesta salir del agua algo más que al hidrógeno y es lo que vemos en la disolución final con color amarillento.
RESULTADOS: TABLA 1 Vol. De hidrogeno obtenido en mL
Equipo
4
12 ml
Tiempo en Segundos
Intensidad de corriente en Amperes
T °C
1
25°
289 seg
Presión (mmHg)
650 mmHg-23.76 mmHg= 626.4 mmHg
Calcular el No. de moles de gas hidrogeno producido en cada caso. C ons iderarlo como g as ideal. R eg is tre s us datos en la tabla 2
Sí poseo datos de volumen de gas V=0.012L, presión atmosférica del laboratorio P= 0.8236 atm, la temperatura en el laboratorio T=298K y además conozco la constante R del gas ideal; solo despejo de la formula PV=nRT a n que es el número . ×. = 4.042902 × 10 de moles. n=PV/RT ejemplo: =
.
TABLA 2 Equipo
4
Vol. De H2 de moles obtenido en electrones
Intensidad de corriente en Amperes
8.085804×104
1
Tiempo en Segundos
Carga eléctrica en culombios
Moles de H2
289 culombios
4,042902 x 10 4
289 seg
Si son 2e- por cada molécula de hidrogeno entonces solo multiplico moles de hidrogeno por dos: 4.042902×10 ×2=8.085804×10 − Calcular la carga que se requeriría para generar una mol de electrones para cada uno de los casos solicitados. Registre sus datos en la tabla 3 y el No. De electrones que corresponde a la carga utilizada para generar una mol de electrones. Recuerde que la carga de un electrón es 1,6022x 10 19
Culombios.
TABLA 3 Vol. de H2 No. De electroEquipo Obtenido en por H2 pro- (mL) 4 2.2310644 x 1022 e-/mol
Moles de H2
Moles de electrones
4.042902
8.085804 × 104
Carga para generar una mol de electrones (C/mol)
3.5741652 x 103
Para calcular la carga, Solo se divide la carga eléctrica entre mol de electrones. Para caso de los 12mL
289 = 3.5741652 10 − 8.085804×104 − Usando regla de tres: 1e-=1.602x10-19C ¿e-? =3.5741652 10 C/mol
3.5741652 10 × (.× ) = 2.2 310644 10
CUESTIONARIO: 1. En el tubo que está conectado a la terminal negativa tuvo lugar la semirreacción de reducción, ¿qué gas se produjo? R= Se produjo hidrógeno.
2. ¿Qué gas se obtiene en el tubo que está conectado a la terminal positiva? ¿Por qué? R= Se obtiene oxígeno, porque el número de oxidación de este elemento es -2, lo cual quiere decir que el elemento tiene un carácter negativo, puesto que lo positivo atrae a lo negativo, el oxígeno se vio desplazado hacia la terminal positiva, el ánodo.
3. ¿Cómo demostraría que efectivamente los gases colectados son hidrógeno y oxígeno? R= Se demostraría mediante experimentos sencillos que ponen en evidencia las propiedades de ambos gases, por ejemplo: Hidrógeno: Acercar el tubo de ensayo boca abajo (tapando con el dedo pulgar para evitar que se escape; el tubo boca abajo se debe a que el hidrógeno es un gas menos denso que el aire y por lo tanto sube) a la llama de un mechero, si se oye un chasquido, que mejor dicho es una implosión (se debe a la formación de vapor de agua), entonces tenemos hidrógeno. También, podemos demostrar que se trata del gas hidrógeno al notar su insolubilidad en agua. Oxígeno: En este caso, el tubo de ensayo debe estar boca arriba, porque el oxígeno es un gas más denso que el aire entonces baja. Posteriormente, introducimos una astilla de madera incandescente, o sea, al rojo vivo, al fondo del tubo, de este modo se observará que la astilla se aviva, esto gracias a que el oxígeno es comburente (sustancia que logra la combustión, o en su defecto, contribuye a su aceleración). Cabe mencionar que el oxígeno es ligeramente soluble en agua, por tanto, se puede llegar a observar burbujeo.
4. Trace en hoja de papel milimetrado las gráficas de volumen (mL) (ordenadas) en función del tiempo (s) (abscisas) para los gases colectados: a) ¿Por qué para volúmenes similares se requiere de tiempos diferentes? R= Porque se produce la mitad de oxígeno que de hidrógeno por unidad de tiempo.
b) ¿Existe para cada uno de los volúmenes obtenidos en ambos casos, alguna relación entre el tiempo requerido para obtenerlos y la intensidad de corriente aplicada? R= Se necesita el doble de tiempo para generar el mismo volumen de oxígeno que de hidrógeno, y se necesita menor tiempo para una mayor intensidad de corriente.
5. Calcule en cada caso el número de Coulomb que se utilizaron para generar los volúmenes de gas hidrógeno que se le solicitaron. Recuerde que el ampere (A) es la unidad de intensidad de corriente eléctrica y puede relacionarse con el Coulomb (C) que es la unidad de carga eléctrica, de la siguiente manera: 1A= 1C/s. R= Para el caso del equipo 4. Se multiplica el tiempo (T) por el amperaje (A). C= TxA= 289 S x 1 A = 289 C
6. Calcule el número de moles de gas hidrógeno producido en cada caso. Considérelo como gas ideal. Registre sus datos en una tabla. R= Se produce la misma cantidad de moles de Hidrógeno, pero se requiere de tiempos y de intensidades de corrientes diferentes. Sí poseo datos de volumen de gas V=0.012L, presión atmosférica del laboratorio P= 0.8236 atm, la temperatura en el laboratorio T=298K y además conozco la constante R del gas ideal; solo despejo de la formula PV=nRT a n que es el número . ×. = 4.042902 × 10 de moles. n=PV/RT ejemplo: =
.
7. Escriba la ecuación balanceada de reducción del agua y calcule los moles de electrones que se necesitaron para generar los volúmenes de gas hidrógeno obtenido: R= Ecuación de reducción:
8. ¿Qué relación encuentra entre los moles de electrones requeridos para generar cada uno de los volúmenes de gas hidrógeno solicitados? R= Entre más volumen se generó de hidrogeno mayor fue el número de electrones necesarios para ello.
9. Trace la gráfica volumen (ordenadas) en función del número de moles de electrones (abscisas) R= Volumen de H 2 (ml) generado con 0.25 A 10 9 ) 8 l m 7 ( 2 H 6 e d 5 n e 4 m u l o 3 V 2 1 0
5.83, 9
4.01, 6 Volumen de H2 (ml) 2.08, 3
0
1
2
3
4
5
Cantidad de electrones necesarios (mol x10 -4)
6
7
Volumen de H2 (ml) generado con 1 A
) l m ( 2
H e d n e m u l o V
14 8.085804 12 10 8 6 4 2 0 0
0 1
0 2
0 3
0 4
0 5
0 6
0 7
8
9
Cantidad de electrones necesarios (mol x10 -4)
Equipo 4
10. Establezca el tipo de relación que existe entre las dos variables graficadas. R= El volumen del gas generado es directamente proporcional la cantidad de electrones utilizados o necesarios.
11. Calcule la carga que se requeriría para generar una mol de electrones para cada uno de los casos solicitados: R= Para calcular la carga, solo se divide la carga eléctrica entre mol de electrones. Para caso de los 12 mL:
289 = 3.5741652 10 − 8.085804×104 −
12. Determina las condiciones experimentales de intensidad de corriente (A) y de tiempo (s), se requieren para generar los moles necesarias para obtener en el laboratorio 20 mL de gas de hidrógeno: R= Si usamos una intensidad de corriente de 0.13 A nos llevará 14.4min (864s) producir 20 mL de hidrogeno gas por medio de electrolisis debido a: Si 3 mL tarda en producirse aprox. 2.16min (129.6s), entonces 1mL se produce en 129.6s/3=43.2 s; por lo tanto, multiplicando 43.2s por 20 mL obtenemos el tiempo en que se generaran los 20 mL, 20 mL×43.2s=864s (14.4min).
DISCUSIÓN: El proceso mediante el cual se da el paso de la corriente eléctrica a través de una disolución o a través de un electrolito fundido y da como resultado una reacción de oxidación – reducción (redox), no espontánea, se puede definir como electrólisis. Su importancia radica en que, un proceso como este es capaz de transformar materias primas tan económicas como la sal y el agua, en productos industrialmente valiosos como NaOH (sosa cáustica), Cl 2 (cloro) e H2 (hidrógeno). Durante el desarrollo de la práctica se entendió en qué consistían las leyes electroquímicas formuladas por Michael Faraday mediante un proceso experimental que implicaba la electrólisis de un ácido. La práctica consistió en someter a electrolisis el ácido sulfúrico, para ello se instaló adecuadamente el equipo necesario, en este caso se trató del aparato de Hoffman (consta de tres cilindros verticales unidos, por lo general de vidrio), y un cargador de baterías. Aquí lo que ocurre es que e l cilindro central que está abierto en la parte superior puede permitir la adición de agua y de un compuesto iónico para mejorar la conductividad (como podría ser un ácido), en el caso particular de la práctica se trató de la cantidad de 200 ml de ácido sulfúrico sin necesidad de agua. Posteriormente, un electrodo de platino se coloca dentro de la parte inferior de cada uno de los otros dos cilindros, y se conectan a los terminales positivo y negativo de una fuente de electricidad. Cuando la corriente circula a través del voltámetro de Hoffman, se forma oxígeno en el ánodo e hidrógeno en el cátodo. Cada uno de los gases desplaza el agua contenida en su cilindro y se acumula en la parte superior de los dos tubos exteriores, cabe mencionar que hablamos de un instrumento de medición usado para medir la carga eléctrica, no debemos confundirlo con el voltímetro que mide potencial eléctrico, ya que son dos conceptos diferentes, aunque el nombre sea similar. Conforme el proceso de electrolisis iba avanzando, obteníamos a su vez los resultados referentes al volumen de hidrógeno conseguido durante la experimentación con sus respectivos datos, específicamente correspondientes al tiempo (en segundos), la temperatura (°C) y la intensidad de corriente (A). Todos estos datos en conjunto fueron registrados en tres tablas distintas, donde también se hizo el registro de nuevos resultados obtenidos gracias a diversos cálculos realizados en base a los datos iniciales, procedentes del proceso de experimentación. Fue aquí donde se hizo énfasis a conceptos como gas ideal, mol de electrones y carga para generar una mol de electrones (C/mol). De acuerdo con los resultados registrados en la Tabla N°1, cada cantidad que ahí se encuentra se obtuvo directamente de la observación del proceso de electrólisis en el aparato de Hoffman, pues en este último se hizo la medición de la cantidad de hidrógeno colectado, que fue de 12 cm 3, lo que equivale a 12 mL que es la unidad de medida que se nos pide en el registro. La temperatura (°C) se midió gracias a un
termómetro, dándonos una temperatura ambiental de 25°C. El tiempo (segundos) se tomó con la ayuda de un cronómetro, sin embargo, el tiempo iba transcurriendo en minutos, por lo que simplemente procedimos a realizar una conversión de minutos a segundos, pues 1 minuto equivale a 60 segundos, y el tiempo necesario para obtener 12 mL de gas H2 fue de 4.49 minutos, entonces decimos que:
Por tanto, el tiempo fue de 289 segundos. Y, por último, la intensidad de corriente en amperes se consiguió al revisar los datos que contenía la batería, pues ahí se indicó que la intensidad era de 1 ampere. En la Tabla N°2 se nos pide considerar al hidrógeno como gas ideal , esto significa que, dado que es difícil describir de forma exacta un gas real, los científicos crearon el concepto de gas ideal como una aproximación que nos ayuda a modelar y predecir el comportamiento de los gases reales. En sí, el término gas ideal se refiere a un gas hipotético compuesto de moléculas que siguen unas cuantas reglas (p.ej. que las moléculas no se atraen o repelen entre ellas y que en sí mismas no ocupan volumen alguno). Entonces, para proceder al llenado de esta tabla, se agregaron los mismos datos con la excepción de que aquí se calcularon la carga eléctrica (C) y la cantidad de electrones (mol). Para ello, simplemente se necesitó entender que, al multiplicar la intensidad de corriente en amperes con el tiempo en segundos, se obtiene la carga eléctrica en coulomb; en cambio, para conseguir la cantidad de electrones en moles es indispensable hacer uso de los moles de hidrógeno calculados en la tabla n°1 y multiplicarlos por 2, esto debido a que son 2e- por cada molécula de hidrogeno. Dicho de otra manera, la cantidad de electrones que comprende la molécula de hidrógeno serán los que afectarán a los moles de hidrógeno, es decir, serán los que determinarán los moles de electrones obtenidos, por tanto, tenemos las siguientes operaciones:
La carga eléctrica fue de 289 C y los moles de electrones son de 8.085804
x104.
Por último, en la Tabla N°3 se nos pide obtener la carga para generar una mol de electrones (C/mol) producido durante el proceso de experimentación, para ello se nos recomienda considerar que la carga de un electrón es 1.6022 x10-19. Aquí se comprendió que los datos a emplear serían la carga eléctrica y los moles de electrones registrados en la tabla n°2. Entonces procedimos a dividir ambos datos, la carga eléctrica (289 C) entre los moles de e- (8.085804 ×104), dándonos como resultado 3.5741652 x 103. De manera general, podemos decir que la electrólisis es simplemente un proceso químico en donde una sustancia en disolución se descompone debido a una corriente eléctrica. Sin embargo, en ocasiones dicha definición resulta ser muy sencilla pues la electrolisis es más que eso. El proceso comprende una serie de reacciones en si misma que hacen posible la separación de los elementos de un compuesto, y las propiedades donde se hace notoria la profundidad que conlleva son, por ejemplo, los moles de H 2 gaseoso obtenido, los moles de electrones, así como la carga necesaria para generar un mol de electrones, y en todos ellos influyen ciertos factores que resultan fundamentales, como son la intensidad de corriente y el tiempo que duró el proceso, pues fue gracias a estos últimos que se consiguió la generación de cierto volumen de hidrógeno, lo que dio lugar al entendimiento del proceso, ya que el hecho de conseguir hidrógeno gaseoso nos indica la separación de elementos del compuesto como tal, es decir, indica el principio fundamental de la electrólisis.
CONCLUSIÓN: La electrolisis del agua es la reacción química que, mediante el empleo de un electrolito y corriente eléctrica, 2 moléculas de agua se separan en 2 moléculas distintas; 2 de hidrogeno y una de oxígeno. Donde la molécula de agua pierde sus propiedades químicas para que los productos adquieran nuevas. Se requiere del empleo de corriente eléctrica, así como la presencia de un electrolito para provocar esta reacción química, pues, aunque se le proporcione energía eléctrica no se llevara a cabo la electrolisis puesto que el agua por sí solo no conduce la corriente; por lo tanto, no se descompone en oxígeno e hidrogeno. No importa que volumen de H2 se requiera producir al igual que la temperatura, presión e intensidad de corriente eléctrica que se tenga en la reacción, siempre habrá una relación 2:1 entre el hidrogeno y el oxígeno. Si el volumen de H2 obtenido se duplica el tiempo de reacción también lo hará.
BIBLIOGRAFÍA: Raymond Chang, "Química" Sexta Edición, McGraw-Hill Von Hofmann, A. W. Introduction to Modern Chemistry: Experimental and Theoretic; Embodying Twelve Lectures Delivered in the Royal College of Chemistry, London. Walton and Maberly, London, 1866. Universidad autonoma de Mexico, Facultad de Quimica. (2014). La constante de Avogadro. Mexico. Electrolitos: MedlinePlus. N.d. Web. 31 Agosto 2014. http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish/ency/article/002350.htm
