Determinación electrolítica del cobre Objetivos Objetivo general
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Determinar el contenido de cobre de una muestra por electrólisis.
Objetivos específicos
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Utilizar una celda electrolítica Informarse sobre los distintos tipos de electrodos que se usan en la electrólisis Diferenciar las reacciones que ocurren en el ánodo y en el cátodo Utilizar correctamente un equipo electrolítico
Fundamento teórico Electrólisis
La electrólisis es un método de separación de los elementos que forman un compuesto aplicando electricidad: se produce en primer lugar la descomposición en iones, seguido de diversos efectos o reacciones secundarias según los casos concretos. Para realizar una electrólisis se debe contar con un aparato o recipiente, llamado cuba electrolítica, el cual sirve para contener a la solución electrolítica (electrolito en medio acuoso) y a los dos electrodos; también hay que tener una fuente de energía eléctrica, a la que se conectarán los electrodos. Los electrodos son conductores metálicos que recibirán su nombre según cuál sea el polo del generador al que estén conectados, así, el electrodo que se encuentra unido al polo positivo recibirá el nombre de ánodo y el que se halla unido al polo negativo será llamado cátodo. Ambos se encuentran sumergidos en la solución en contacto con el electrolito y es en su superficie donde se producirán reacciones con liberación o consumo de electrones, generando el intercambio de corriente electrónica y corriente electrolítica. La reacción de consumo de electrones se verifica en el cátodo y es una reducción, mientras que la reacción que libera electrones tiene lugar en el ánodo y es una oxidación. Cuando se enciende el generador, se produce alrededor de los electrodos un campo eléctrico provocando la migración de los iones hacia ellos, debido a que los iones, son átomos o grupos de átomos con carga eléctrica positiva (cationes) o negativas (aniones). Cátodo Reducción: consumo de electrones especie oxidada + electrones especie reducida Ánodo Oxidación: liberación de electrones especie reducida + electrones especie oxidada
Como ejemplo se tiene una una solución de sulfato de cobre cobre que da lugar a las siguientes reacciones reacciones en un medio electrolítico: En el cátodo pueden ocurrir las siguientes reacciones de reducción: Cu2+ (ac) + 2e- Cu (s) 2H2O (l) + 2e- H2 (g) + 2OH- (ac)
En el ánodo pueden ocurrir las siguientes reacciones de oxidación: 2SO42- (ac) S2O8 (ac) + 2e2H2O (l) O2 (g) + 4H+ (ac) + 4eLa reacción neta es la siguiente: Cu2+ (ac) + 2e- Cu (s) /x2 (se iguala el número de electrones) 2Cu2+ (ac) + 4e- 2Cu (s) 2H2O (l) O2 (g) + 4H+ (ac) + 4e2Cu2+ (ac) + 2H2O (l)
2Cu (s)
+ O2 (g) + 4H+ (ac)
Tipos de celdas electroquímicas
Las celdas electroquímicas pueden ser galvánicas o electrolíticas. También pueden clasificarse como reversibles o irreversibles. Las celdas galvánicas o voltaicas almacenan energía eléctrica. Por lo general, las baterías se hacen con varias celdas de este tipo conectadas en serie para producir un voltaje mayor que el que puede producir una celda sencilla. Las reacciones en los electrodos de estas celdas tienden a ocurrir espontáneamente y producen un flujo de electrones desde el ánodo hacia el cátodo a través de un conducto externo. Por el contrario, para que una celda electrolítica funcione, necesita una fuente externa de energía eléctrica. En la celda electrolítica, la dirección de la corriente es inversa respecto a la celda galvánica, y las reacciones en los electrodos también son inversas. En una celda reversible al invertirse la corriente, se invierte la reacción de la celda. En una celda irreversible, la inversión de la corriente ocasiona una semirreacción diferente en uno o en ambos electrodos. Características del cobre
El cobre es un buen conductor de electricidad, por eso se emplea muchísimo en circuitos eléctricos; sin embargo, pequeñas cantidades de impurezas reducen considerablemente la conductividad del mismo. Para purificar el cobre, se emplea una célula electrolítica. Para este proceso, el cobre impuro se utiliza como ánodo y se pone como cátodo una hoja delgada de cobre muy puro. La solución de electrolito contiene sulfato de cobre. En cuanto se aplica un pequeño voltaje a la célula para la corriente; el cobre del ánodo se oxida a Cu2+, mientras que en el cátodo se deposita cobre metálico al reducirse los iones Cu2+. El único cambio que ocurre durante la electrólisis es el transporte de cobre del ánodo al cátodo. Las impurezas habituales en el cobre son el hierro y plata. El hierro se oxida más fácilmente que el cobre y la plata es más difícil de oxidar que el cobre. Si se controla convenientemente el voltaje, en el ánodo sólo se oxidan el hierro y el cobre, pero no la plata que cae al fondo de la célula electrolítica y se recupera por otros métodos. En el cátodo, el cobre se reduce más fácilmente y el hierro permanece en la solución. Solamente el cobre, muy puro, se deposita en el cátodo. Propiedades químicas del cobre
Los ácidos oxácidos atacan al cobre, por lo cual se utilizan estos ácidos como decapantes (ácido sulfúrico) y abrillantadores (ácido nítrico). El ácido sulfúrico reacciona con el cobre formando un sulfuro, CuS o
Cu2S de color negro y agua. También pueden formarse sales de sulfato cúprico con colores de verde a azul verdoso. Estas sales son muy comunes en los ánodos de los acumuladores de plomo que se emplean en los automóviles. El ácido nítrico mejora la deposición del cobre al prevenir que se produzca hidrógeno en el cátodo de un equipo electrolítico. Propiedades biológicas del cobre
El cobre contribuye a la formación de glóbulos rojos y al mantenimiento de los vasos sanguíneos, nervios, sistema inmunitario y huesos y por tanto es esencial para la vida humana. El desequilibrio de cobre en el organismo cuando se produce en forma excesiva ocasiona una enfermedad hepática conocida como enfermedad de Wilson, el origen de esta enfermedad es hereditario, y aparte del trastorno hepático que ocasiona también daña al sistema nervioso. El cobre se encuentra en una gran cantidad de alimentos habituales de la dieta tales como ostras, mariscos, legumbres, vísceras y nueces entre otros, además del agua potable y por lo tanto es muy raro que se produzca una deficiencia de cobre en el organismo. Aleaciones del cobre
Desde el punto de vista físico, el cobre puro posee muy bajo límite elástico (33 MPa) y una dureza escasa (3 en la escala de Mohs ó 50 en la escala de Vickers). En cambio, unido en aleación con otros elementos adquiere características mecánicas muy superiores, aunque disminuye su conductividad. Existe una amplia variedad de aleaciones de cobre, de cuyas composiciones dependen las características técnicas que se obtienen, por lo que se utilizan en multitud de objetos con aplicaciones técnicas muy diversas. El cobre se alea principalmente con los siguientes elementos: Zn, Sn, Al, Ni, Be, Si, Cd, Cr entre otros. Aplicaciones y usos del cobre Cobre metálico
El cobre se utiliza tanto con un gran nivel de pureza, cercano al 100%, como aleado con otros elementos. El cobre puro se emplea principalmente en la fabricación de cables eléctricos. Electricidad y telecomunicaciones
El cobre es el metal no precioso con mejor conductividad eléctrica. Esto, unido a su ductilidad y resistencia mecánica, lo han convertido en el material más empleado para fabricar cables eléctricos, tanto de uso industrial como residencial. Asimismo se emplean conductores de cobre en numerosos equipos eléctricos como generadores, motores y transformadores. La principal alternativa al cobre en estas aplicaciones es el aluminio. También son de cobre la mayoría de los cables telefónicos, los cuales además posibilitan el acceso a Internet. Construcción y ornamentación
Una gran parte de las redes de transporte de agua están hechas de cobre o latón, debido a su resistencia a la corrosión y sus propiedades anti-bacterianas, habiendo quedado las tuberías de plomo en desuso por sus efectos nocivos para la salud humana. Frente a las tuberías de plástico, las de cobre tienen la ventaja de que no arden en caso de incendio y por tanto no liberan humos y gases potencialmente tóxicos.
Equipos, materiales y reactivos Equipos y materiales
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Vaso de precipitado 250ml Agitador magnético Equipo de electrólisis Electrodo de platino en espiral Electrodo de platino en canastillo Pastilla magnética Vidrio de reloj Balanza analítica +/- 0,0001 Estufa de secado Pipeta graduada de 10ml Varilla de vidrio Pera de goma Pizeta
Reactivos
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Urea Acido nítrico concentrado Acido sulfúrico concentrado Agua destilada CuSO4*5H2O Alcohol etílico
Procedimiento experimental 1. Preparar una solución que contenga 2ml de ácido sulfúrico, 1ml de ácido nítrico y 100ml de 2. 3. 4. 5. 6.
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agua. Agregar 0,5018g de sulfato de cobre a la solución. Conectar los electrodos al aparato en forma adecuada: el ánodo en espiral dentro del canastillo. Asegurarse de que los electrodos no se toquen. Se debe dejar libre la solución aproximadamente 1cm de la parte superior del cátodo. Si es necesario diluir la solución con agua destilada. Agregar 5g de urea en la solución sin necesidad de agitar, luego agregue suficiente agua pero no cubrir el cátodo por completo. Encender el agitador y cerrar el circuito para empezar la electrólisis, sólo debe pasar una corriente pequeña, ya que la resistencia es elevada. La corriente debe ser de 3A y el voltaje por debajo de 4V. Realizar la electrólisis a este voltaje hasta que desaparezca el color azul de cobre. Para detener la electrólisis, apagar el agitador, pero sin interrumpir la corriente. Quitar el soporte que está debajo del vaso y bajarlo con una mano mientras se lava la superficie expuesta del cátodo con un chorro de agua destilada. Tan pronto como el cátodo esté fuera de la solución, cortar la corriente. Lavar los electrodos con un chorro de agua destilada. Secar el cátodo colocándolo en un vidrio de reloj en la estufa de secado durante 5 minutos a 100ºC. Enfriar el electrodo a temperatura ambiente y luego pesarlo con exactitud. Indicar el peso total de cobre en la solución y el porcentaje de éste en la muestra. El cobre se quita del electrodo colocándolo en ácido nítrico caliente durante 1 a 3 minutos. Luego enjuagar bien el electrodo con agua del grifo y luego con agua destilada.
Datos, cálculos y resultados Datos MCuSO4 (g) Mcanastillo (g) Mcanastillo+Cuº (g) Cálculos MCu= Mcanastillo+Cuº - Mcanastillo
%Cu= MCu/MCuSO4 *100
Resultados
Observaciones
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Al armar el equipo de electrólisis, el canastillo no debe tocar las paredes del vaso, ya que puede provocar una mala reacción. La pastilla magnética no debe tocar el canastillo ni la espiral, ya que causaría que se precipite toda la solución. La solución es de color azul. El canastillo presenta un color rojizo por la presencia del cobre. El agitador acelera la electrólisis.
Conclusiones
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La electrólisis es un buen método para separar un compuesto en los elementos que lo componen. El equipo de electrólisis fue utilizado correctamente.
Bibliografía “Química analítica”. 7º edición. Douglas A . Skoog, Donald M. West, F. James Holler, Stanley R.
Crouch. Pág 410 -
“Química: experimentos y proyectos”. O’connor, Davis, Haenisch, MacNab, MaClellan. 1977. Pág
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335 http://enciclopedia.us.es/index.php/Electr%C3%B3lisis (16/05/2013)
Cuestionario 1. Explique el principio de funcionamiento del espectrofotómetro de luz UV visible y que valores nos da como resultado este equipo, además menciones los cuidados y/o precauciones que se debe tener con este equipo.
El espectrofotómetro UV-visible, se utiliza para identificar algunos grupos funcionales de moléculas, y además, para determinar el contenido y fuerza de una sustancia. Se utiliza de manera general en la determinación cuantitativa de los componentes de soluciones de iones de metales de transición y compuestos orgánicos altamente conjugados. Este aparato utiliza radiación electromagnética de las regiones visible, ultravioleta cercana e infrarroja cercana del espectro electromagnético, es decir, una longitud de onda entre 380 nm y 780 nm. La radiación absorbida por las moléculas desde esta región del espectro provoca transiciones electrónicas que pueden ser cuantificadas. Las precauciones que deben tenerse con este equipo son las siguientes: - Para asegurar la obtención de unos resultados precisos, la tapa de la zona de muestras debe estar en posición cerrada durante la medida. - Es recomendable utilizar cubetas de cuarzo para efectuar medidas por debajo de 3 10 nm. - Las cubetas de plástico no son adecuadas para utilizarse con disolventes orgánicos. - Las cubetas de vidrio deben limpiarse completamente después de su uso. - Cuando sea posible, los reactivos químicos deben ser de una calidad de alto grado. La contaminación puede causar problemas, incluso en niveles muy bajos. Los diluyentes no deben tener impurezas. - Las muestras y los estándares pueden “desgasearse” si se dejan en la cubeta. Las burbujas formadas en las paredes de la cubeta producirán errores de lectura. 2. Defina: absorbancia, absortividad molar, transmitancia, ley de Lambert y Beer.
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Absorbancia: Es la cantidad de intensidad de luz que absorbe la muestra. Está definida como: A= -log(I/I0) Absortividad molar: Es la absortividad definida en términos de concentraciones expresadas en moles por litro. Transmitancia: Es una magnitud que expresa la cantidad de energía que atraviesa un cuerpo en la unidad de tiempo. Ley de Lambert y Beer: Es una relación entre la absorción de luz y las propiedades del material atravesado. Se expresa de la siguiente manera: A= εbc, donde A es la absorbancia, es la absortividad molar, b es el espesor de la cubeta y c es lal concentración molar.
3. Explique lo que es la electrólisis y el principio de este proceso
La electrólisis es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. En ella ocurre la captura de electrones por los cationes en el cátodo (una reducción) y la liberación de electrones por los aniones en el ánodo (una oxidación). El principio de este proceso es una reacción de oxidación-reducción, donde la fuente de alimentación eléctrica se encarga de aportar la energía necesaria.
4. Indique los principales cuidados que se debe tener en cuenta en la realización de esta práctica para asegurar la adhesión del cobre metálico en el canastillo de platino.
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Debe mantenerse el canastillo húmedo cuando la solución esté siendo retirada. Una vez que el canastillo esté fuera de la solución, debe ser sumergido junto con el espiral en un vaso con agua destilada. Deben lavarse ambos electrodos con una segunda porción de agua destilada. El canastillo debe sumergirse en un vaso que contenga alcohol y luego colocarlo en un vidrio de reloj para luego ser secado en la estufa durante 5 minutos a 100ºC. Una vez secado, debe enfriarse a temperatura ambiente y ser pesado con exactitud. El peso obtenido será el del canastillo junto con el cobre adherido.
5. A partir de una solución que contiene 100 ppm de hierro se preparan soluciones que resultan de diluir hasta 50ml los siguientes volúmenes de la solución original: 0ml 0,1ml 0,5ml 1,0ml 1,5ml 2,0ml 2,5ml A cada una de estas soluciones se les lleva al espectrofotómetro de luz UV visible para poder leer los valores de absorbancia, obteniendo respectivamente los siguientes valores: 0 0,2510 1,2501 2,5012 3,7508 5,0015 6,2504 a) Con los datos anteriores realice la curva de calibración respectiva b) Determine la concentración de hierro en una solución si la absorbancia leída es de 4,2136 c) Se desea determinar la concentración de hierro de una muestra de agua de un pozo, para lo cual se toma una muestra de 1 litro de agua del pozo, des este se toma un alícuota de 5ml, se le hacen tratamientos y reacciones respectivas llevándola a 50ml y se lee un valor de absorbancia de 3,2548. Determinar la concentración de hierro en esta agua de pozo en ppm.
6. Por un procedimiento electrolítico para determinación de cobre se obtienen los siguientes datos: Masa de muestra sólida =4,256 g Masa del canastillo limpio y seco =67,985 g Masa del canastillo con el cobre depositado =70,265 g Con estos datos determine la concentración de cobre y la concentración de sulfato de cobre (II) presente en la muestra sólida.
