electroquimica fq 2

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA)

FACULT ACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERÍA INGENI ERÍA QUÍMICA Escela Acad!"ica De In#enier$a %$"ica DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE FISICOQUÍMICA

Laboratorio de Fisicoq!"ica II

ELECTROQUIMICA

Pro#esor$

&i#er'a ain', An$*al I%te&ra%tes$

Es+dian+e

Cdi#'

E-A-P

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In#- %$"ica

Mall"a 7er8a9, .erard'

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Ma+ias ;ra
Mi!rc'les 1 de Ma9' del :316 Fec'a de (a e%tre&a$

Mi!rc'les 3> de =ni' del :316 Gr)o + Tr%o$

?A@ Mi!rc'les de > B11a" Ciudad Universitaria, 08 de Junio del 2016

INTRODUCCIÓN

Una de las formas de energía de mayor importancia práctica para la vida contemporánea es la energía eléctrica. El área de la química que estudia la conversión entre la energía eléctrica y la energía química es la electroquímica. La mayoría de los compuestos inorgánicos y algunos de los orgánicos se ionizan al fundirse o cuando se disuelven en agua u otros líquidos; es decir, sus moléculas se disocian en componentes cargados positiva y negativamente que tienen la propiedad de conducir la corriente eléctrica. i se coloca un par de electrodos en una disolución de un electrolito !o compuesto ioniza"le# y se conecta una fuente de corriente continua entre ellos, los iones positivos de la disolución se mueven $acia el electrodo negativo y los iones negativos $acia el positivo. %l llegar a los electrodos, los iones pueden ganar o perder electrones y transformarse transformarse en átomos átomos neutros o moléculas; moléculas; la naturaleza naturaleza de las las reacciones reacciones del electrodo depende de la diferencia de potencial o volta&e aplicado. Entre '())*'(+) ic$ael -araday físico y químico inglés, realizó estudios cuantitativos referente referente a la relación entre la cantidad de electricidad que pasa por una solución y resultado de sus investigaciones las enuncio entre los aos '(++*'(+/ en las leyes que tienen su nom"re. La primera ley de -araday seala que la masa de una sustancia involucrada en la reacción de cualquier electrodo es directamente proporcional a la cantidad de electricidad que pasa por una solución. La segunda Ley, seala que las masas de las diferentes sustancias producidas por el paso de la misma isma can cantid tidad de elect lectrricid icidaad son son dire irectame tament ntee proporcionales proporcionales a sus equivalentes en gramos. Los proce procesos sos electr electroqu oquími ímicos cos son reacci reaccione oness redo0 redo0 en donde donde la energ energía ía li"era li"erada da por por una reacc reacción ión espont espontáne áneaa se trans transfor forma ma en electr electrici icidad dad,, o la electricidad se utiliza para inducir una reacción química no espontánea. % este 1ltimo proceso se le llama electrolisis.

RESUMEN

El o"&etivo de esta práctica es el estudio de la ecuación de 2ernst aplicada a +2 +2 0 0 las celdas galvánicas Zn 3 Zn 33 Cu 3 Cu a diferentes

concentraciones así como el estudio de la ley -araday para la electrolisis del agua, para ello las condiciones del la"oratorio fueron; presión4 56)mm7g, temperatura4 8)9:, grado de saturación4 (<. =ara ello se pasa a tra"a&ar con las celdas galvánicas, de tal manera que cada semicelda contenía sustancias diferentes en el ánodo !o0i.# tra"a&amos sulfato de zinc y el cátodo !red.# sulfato de co"re, la variación de la concentración de la sustancia a medir en el cátodo !).)', ).))'

CuSO 4

# nos dará

diferentes medidas de volta&e en el voltímetro !instrumento que lee el volta&e, intensidad de corriente y resistencia#, y con ello $allamos los fem no estándar de las celdas a las diferentes concentraciones. =ara la ley de -araday tra"a&amos con una solución de 2a>7, /2 esta sustancia será la solución electrolítica, tanto en los electrodos inertes de car"ono ocurrirá la o0idación como la reducción del 2a>7 en el cátodo ocurrirá la reducción del catión $idrogeno a $idrogeno gaseoso, mientras que en ánodo el ion $idró0ido se o0idara a o0igeno gaseoso. Este o0igeno se "ur"u&eara a través de una manguera y controlando el tiempo que demora en descender el o0ígeno a través del equipo anotamos el tiempo, este tiempo será 1til para calcular la cantidad de o0igeno que se genera en el ánodo.

PRINCIPIOS TEÓRICOS ELECTROLI SI S:

Electrolisis, parte de la química que trata de la relación entre las corrientes eléctricas y las reacciones químicas, y de la conversión de la energía química en eléctrica y viceversa. En un sentido más amplio, la electrolisis es el estudio de las reacciones químicas que producen efectos eléctricos y de los fenómenos químicos causados por la acción de las corrientes o volta&es. La mayoría de los compuestos inorgánicos y algunos de los orgánicos se ionizan al fundirse o cuando se disuelven en agua u otros líquidos; es decir, sus moléculas se disocian en componentes cargados positiva y negativamente que tienen la propiedad de conducir la corriente eléctrica. i se coloca un par de electrodos en una disolución de un electrolito !o compuesto ioniza"le# y se conecta una fuente de corriente continua entre ellos, los iones positivos de la disolución se mueven $acia el electrodo negativo y los iones negativos $acia el positivo. %l llegar a los electrodos, los iones pueden ganar o perder electrones y transformarse en átomos neutros o moléculas; la naturaleza de las reacciones del electrodo depende de la diferencia de potencial o volta&e aplicado. La acción de una corriente so"re un electrolito puede entenderse con un e&emplo sencillo. i el sulfato de co"re se disuelve en agua, se disocia en iones co"re positivo e iones sulfato negativo. %l aplicar una diferencia de potencial a los electrodos, los iones co"re se mueven $acia el electrodo negativo, se descargan, y se depositan en el electrodo como elemento co"re. Los iones sulfato, al descargarse en el electrodo positivo, son inesta"les y com"inan con el agua de la disolución formando ácido sulf1rico y o0ígeno. Esta descomposición producida por una corriente eléctrica se llama electrólisis.

ELECTROQUÍMI CA

Las celdas electroquímicas se usan principalmente con dos fines4 a# convertir energía química en eléctrica, y "# convertir la energía eléctrica en química. En las pilas secas comunes y en el acumulador de plomo se tiene convertidores de energía química en eléctrica, mientras que en la carga de la "atería de almacenamiento y en la purificación electrolítica del co"re se utiliza la energía eléctrica para realizar una acción química.

CELDAS GALVÁNICAS

En condiciones normales una reacción redo0 ocurre cuando el agente o0idante está en contacto con el agente reductor. i vemos la ecuación iónica siguiente4 2 +¿

Zn( ac )+ Cu( s) 2+ ¿

Cu( ac) → ¿ Zn( s) +¿

i se divide esta ecuación en dos semirreaciones, entonces se tiene4 −¿ ¿ Zn + 2e Zn( s) → ¿ 2 +¿ ( ac )

−¿ →Cu ( s) ¿ 2+¿ Cu( ac )−2 e ¿

e o"serva que en átomo de

Zn

se o0ida dando dos electrones al ión

2 +¿

Cu

¿

que se reduce. Los electrones se transfieren desde el agente reductor al agente o0idante. i estos agentes, el o0idante y el reductor, estuvieran separados físicamente, fuese posi"le que la transferencia de electrones se

diera a través de un medio conductor e0terno, en lugar en que se diera en forma directa en la disolución. %sí al progresar la reacción, se produciría un flu&o constante de electrones y por lo tanto se generaría electricidad !esto es se produciría tra"a&o eléctrico#. El dispositivo e0perimental para generar electricidad a través del uso de una reacción redo0 se llama celda electroquímica.

ELEFECTO DE LA CONCENTRACI ÓN EN LA FEM DE LA CELDA

E0iste una relación matemática entre la fem de una celda y la concentración de los reactivos y productos de una reacción redo0 en condiciones de estado no estándar. Esta ecuación se desarrolla a continuación.

LAECUACIÓNDENERNST

:onsidere la reacción redo0 del tipo aA + bB→cC +dD

?e la ecuación o

∆ G= ∆ G + RT ln Q

=uesto que

o

∆ G=−n F E y ∆ G o =−n F E

e0presar como4 −n F E =−n F E o + RT ln Q

, la ecuación anterior se puede

?ividiendo la ecuación entre – nF ,se o"tiene4 E= E

p

RT lnQ nF

−

?ónde4 @ es el cociente de la reacción. La ecuación anterior se conoce como la ecuación de 2ernst.

ELECTRÓLI SI S % diferencia de las reacciones redo0 espontáneas, que convierten la energía química en energía eléctrica, en la electrólisis se utiliza la energía eléctrica para inducir una reacción química que no es espontánea. La electrólisis se lleva a ca"o un dispositivo que se conoce como celda electrolítica. La electrólisis se "asa se "asa en los mismos principios en que se fundamentan los procesos que se llevan a ca"o en las celdas electroquímicas.

LEYESDEFARADAY Los procesos electrolíticos están go"ernados por dos leyes fundamentales conocidas como leyes de -araday.

PRI MERA LEY DE FARADAY

ALa masa de una sustancia química li"erada o depositada en un electrodo respectivo es proporcional a la carga que circula en la celdaB m= K q  ( 1)

?ónde4 K : C!e " De p#opo#c$onal$dad= %eq /( 96 500 C / e q – & )

q :c arga, q = ' ( !

Ceemplazando en la ecuación !'#4

m=

( % " E ) ) ' ) ! 96500 C

SEGUNDA LEY DE FARADAY

ALa razón de las masas de las diferentes sustancias li"eradas o depositadas en los electrodos respectivos por la misma cantidad de corriente en la celda es igual a la razón de sus pesos equivalentesA m1 / m2= %eq 1 / %eq2

LAPI LAELECTROQUÍMI CA Las pilas de investigación son sistemas electroquímicos que nos "rindan información del medio. on de dos tipos4 de medida y de referencia. Las de medida nos proporcionan información acerca de las propiedades del sistema de ó0ido*reducción "a&o estudio. Las de referencia, son pilas cuya fuerza electromotriz !o -E# es tomada como referencia en la medición de fuerzas electromotrices de otras celdas !cuando se aplica el método de =oggendorf, por e&emplo#. Las pilas galvánicas, por lo que toca a su estructura, $ace referencia al e0perimento de Dalvani del anca de la rana, ya que en ellas las dos medias celdas que las constituyen se encuentran separadas por una "arrera que limita la difusión, funcionando de forma similar que la sinapsis de la célula nerviosa del anca de la rana. Una celda típica que ilustra esta clase es la conocida como celda ?aniell. Esta pila está constituida por dos sistemas metal*ión metálico en solución, 2+¿ ¿ o 2 +¿ y Cu / Cu ,conteniendo un anión com1n, >/8*. -ísicamente, las dos ¿ o Zn / Zn medias celdas se encuentran separadas por una mem"rana porosa !yeso, cerámica o vidrio sinterizado, por e&emplo#, que tam"ién puede ser reemplazada por un puente salino de agar*agar. Las pilas voltáicas, llamadas tam"ién de un solo líquido, am"os electrodos se encuentran sumergidos en la misma solución electrolítica. on m1ltiples los

e&emplos de esta clase de celdas y, como veremos, prácticamente todas las pilas de potencia caen en esta clase, aunque el $ec$o de producir una mayor densidad de energía $ace que se clasifiquen aparte. Un e&emplo de esta pila sería dos electrodos metálicos diferentes inmersos en una solución ácida, "ásica o salina. Una primera clase de celdas de concentración son los sistemas formados por una sola disolución y cuyos electrodos poseen la misma naturaleza química pero presentan diferentes actividades, es decir4 …………… n +¿ * + ( a )∨ , ( a2 ) * + 1 ¿

" , ( a1 ) * + 1 ∨ +

En ellas no $ay unión líquida !celdas sin transferencia#; tam"ién son conocidas como celdas de concentración de primera clase. Un segundo tipo son las estructuradas a partir de un mismo sistema metal*ion metálico en solución. En este caso e0iste unión líquida entre las soluciones de la celda correspondiente a cada electrodo las cuales solo difieren en su concentración !celdas con transferencia o de segunda clase#. n +¿( a '' )∨ + ( s ) ¿ n +¿( a ' )∨¿ + ¿

+ ( s )∨ +

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: Si st emael ectroquí mi coparaapl i carl aecuaci ón deNernst epare20 mL de una sol uci ón sat ur ada deKClyl uegocal i ént el a hast a a) Pr cer ca de ebul l i ci ón,ceseelcal ent ami ent o y agr egue 0. 5 g de agar agar , agi t e hast a di sol uci ón.En cal i ent e vi er t a con cui dado est é pr eparado al t uboenU ydej eenf ri ar .

b) Prepare250mLdel assol uci onesdeCuSO4 0. 01M y0. 001M pordi l uci ón del asol uci ónst ock0. 1M.

c) Vi ert a200mLdeZnSO4 0. 1M en un vasodepr eci pi t ado,hagal opr opi o con l a sol uci ón de CuSO4 0. 1 M, col oque ambo vasos en baño a t emper at ur ade25º C yconéct el osconelpuent esal i nopr eparadoen a) j el asdosl ámi nasmet ál i cas,enj uáguel ascon aguadest i l adayséquel as d) Li conpapelfil t r o,not ocar l asdi r ect ament econl amano. e) Conect e elcor dón el éc t r i co negr o en “ COM” y elr oj o en “ V/ “ del mul t í met r o,elot r o ext r emo delcor dón negr o conéct el o con l al ámi na de zi nc y elr oj oal a de cobr e,i nt r oduzca l as l ámi nas en sus r espect i vas sol uci ones,t r atandodequel assol uci onesnot oquenal aspi nzas. f ) Gi r el aper i l l adelmul t í met r ohast a2V en DCV;yl uegoenci endaelaparat o, dej e que l al ect ur a se est abi l i ce y anot e,l uego desconect e elci r cui t o. TRABAJE CON LAMANOSSECAS. g) Repi ,d) ,e)yf )parasol t al ospasosc) uci onesCuSO4 a0. 01M y0. 001M. Sistema electroquímico para aplicar la Ley de Faraday

a) Vierta 200 mL de solución de NaOH 4N en un vaso de 250 mL. b) Conecte la bureta con el tubo de salida lateral y manteniendo abierto el conducto

c) d) e)

(a), nivele el volumen de agua de la bureta en CEO! subiendo o ba"ando la #era de decantación del gasómetro. $ntrodu%ca un electrodo de gra&ito en el tubo con salida lateral 'c(todo) e instale dic*o tubo en el vaso con NaOH *asta a#ro+imadamente , cm del &ondo del mismo. $nstale el otro electrodo de gra&ito '(nodo) al mismo nivel -ue el anterior. Conecte el terminal negativo de la &uente de corriente con el c(todo y el #ositivo al (nodo.

f)ediante el cursor movible del V/$/C! regule el volta"e #ara mantener 0. /m#erios y de"e -ue se libere *idrógeno en el c(todo #or es#acio de , minuto teniendo abierto el conducto (a). g) Cierre el conducto (a) y mida el tiem#o -ue demora en #roducir 20 mL de *idrógeno. 1urante todo este tiem#o mantenga el nivel de agua dentro de la bureta igual al nivel de agua dentro de la #era de decantación. h) /note el tiem#o transcurrido! desconecte la &uente de corriente y abra el conducto (a).

TABLASDE DATOSY RESULTADOS Tabl aN° 1 Co ndi c i o ne sdel abo r at o r i o

P( mmHg)

T( º C)

%Humedad

760

21

98

Tabl aN° 2 Vo l t aj e sobt e ni do spar al ass o l uc i o ne sdeCuSO4 y ZnSO4 exper i ment al ment e

Concent r aci óndel CuSO4 ( M) 0. 1 0. 01 0. 001

Concent r aci óndel ZnSO4 ( M) 0. 1 0. 1 0. 1

Vol t aj e( V) 1. 100 1. 080 1. 048

Tabl aN° 3 P o t e nc i aldec e l dahal l adoc o nl asc o nc e nt r ac i o ne sus andol ae c uac i ó ndeNe r ns t ,y P or c e nt aj e sdee r r o rc o mpar ado sc o nl o sdat o se x pe r i me nt al e s

Concentraci ón delCuSO4 ( M)

Concentraci ón delZnSO4 ( M)

E teórico ( Vol ti os)

E Experimental ( Vol ti os)

% deerror

0. 1 0. 01 0. 001

0. 1 0. 1 0. 1

1. 1000 1. 0708 1. 0416

1. 100 1. 080 1. 048

0 0. 00859 0. 00614

Tabl aN° 4 P o t e nc i aldec e l dahal l adoc o nl o sc o e fic i e nt e sdeac t i v i dad us andol ae c uac i ó nde Ne r ns t ,yP or c e nt aj e sdee r r o rc o mpar ado sc o nl o sdat o sex pe r i me nt al e s

[ CuSO4] xγ 0. 1x0. 16 0. 01x0. 40 0. 001x0. 74

[ ZnSO4] xγ 0. 1x0. 15 0. 1x0. 15 0. 1x0. 15

E teórico ( Vol ti os)

E Experimental ( Vol ti os)

% deerror

1. 1008 1. 0830 1. 0614

1. 100 1. 080 1. 048

0. 07 0. 74 0. 51

* v al o r e sdeγ obt eni dosenHandbookofChemi st r y& Physi cs

Tabl aNº 5 Dat osnecesari ospar al al eydeFar aday

I nt ensi dad( A) Ti empo( segundos) Vol .Desal oj ado( L) Pesoequi val ent e( eq) Temper at ur a( º K) Pat mosf éri ca( at m)

0. 60 205 20X 10-3 1 294. 15 1

Tabl aNº 6 Resul t adosdel al eydeFar aday

H2 Li ber ado

M exper i ment al ( mg) 1. 5503

Mt eór i ca( mg) 1. 656

% err or

6.38

CÁLCULOS a)Medi antel aecuaci ón deNernstcal cul eelpotenci aldel acel daparacadapar desol uci ones,uti l i cel asconcentraci onesenl ugardel asacti vidades.Repi ta el cál cul o teni endo en cuenta l os coefici entes de act i vi dad de l os el ectr ol i tos.Compareambosr esul tadosconl osobteni dos. Seal asi gui ent epi l adeDani el s: +2 +2 Zn/Zn //Cu /Cu Cát odo Cu+2 +2e Ánodo Zn0 -2eCu+2 +Zn0

Cu0 E0 =0. 337V Zn+2 E0 =0. 763V Cu0 +Zn+2 E0 cel da=1. 10V

Cal cul amos l os potenci al esteóri cosparal asdi st i ntassol uci onesmedi ante l aecuaci ón deNernst,usandol asconcentraci ones. RT [ Zn ] E= E − ln nF [ Cu+2 ] +2

0

Dónde: Eº=+1. 100v .Pot enci aldecel daacondi ci onesest ándar . R=8. 314J/molK const ant edel osgases. T =Temper at ur aengr adoskel vi n. n=Númer odeel ect r onest r ansf er i dos. []=Concent r aci ones. F=96500car gaencoul omb. 

Pot enci al est eóri coparaparal assol uci onesZnSO4 0. 1M cy CuSO4 0. 1M usandol asconcent r aci ones E=1.10 - −

( 8.314 . / molK ) ( 294 .15 K ) 0.1 + ln 0.1 + ( 2mol ) ( 96500Coulomb ) E=1.10 -



Pot enci al est eóri coparapar al assol uci onesZnSO4 0. 1M cy CuSO4 0. 01M usandol asconcent r aci ones E=1.10 - −

( 8.314 . / molK ) ( 294 .15 K ) 0.1 + ln 0.01 + ( 2 mol ) ( 96500 Coulomb ) E=1.0708 -



Pot enci al es t eór i co para para l as sol uci ones ZnSO4 0. 1M c y CuSO4 0. 001M usandol asconcent r aci ones E=1.10 - −

( 8.314 . / molK ) ( 298.15 K ) 0.1 + ln 0.001 + (2 mol ) ( 96500 Coulomb ) E=1.0409 -

Cal cul andoelPorcentaj edeErrorparal ospotenci al esen elcasoqueseusó concentración.

E##o# =



E !e/#$co− E e)pe#$men!al ) 100 E !e/#$co

Par aZnSO4 0. 1M cy CuSO4 0. 1M E##o# =






1.10 - −1.10 - , 100 =0 1.10 -

1.0709 - −1.0750 - , 100 =−0.43 1.0709 -


1.0418 - −1.0560 - 1.0418 -

, 100 =−1.45

Cal cul amos l os potenci al esteóri cosparal asdi st i ntassol uci onesmedi ante l a ecuaci ón de Nernst, usando l os coefici entes de act i vi dad de l os electrolitos. E= E

0

−

RT a Zn+ ln nF aCu+

2

2

E= E

0

−

RT + Zn ) 0 Zn ln nF + Cu ) 0 Cu

Dónde: Eº=+1. 100v .Pot enci aldecel daacondi ci onesest ándar . R=8. 314J/molK const ant edel osgases. T =Temper at ur aengr adoskel vi n. n=Númer odeel ect r onest r ansf er i dos. a=γ c=Coefici ent edeact i vi dad. F=96500car gaencoul omb. 

Pot enci ast eóri coparaparal assol uci onesZnSO4 ( 0. 1Mx0. 15) cy CuSO4 ( 0. 1Mx0. 16)usandol oscoefici ent esdeact i vi dad E=1.10 - −

( 8.314 . / molK ) ( 298.15 K ) (0.1 + )( 0.15 ) ln (2 mol ) ( 96500 Coulomb ) ( 0.1 + )( 0.16 )

E=1.1008 - 


( 8.314 . / molK ) ( 298.15 K ) ( 0.1 + )( 0.15 ) ln (2 mol ) ( 96500 Coulomb ) ( 0.01 + )( 0.40 ) E=1.0830 -




( 8.314 . / molK ) ( 298.15 K ) ( 0.1 + )( 0.15 ) ln (2 mol ) ( 96500 Coulomb ) ( 0.001 + )( 0.74 ) E=1.0614 -

Cal cul andoelPorcentaj edeErrorparal ospotenci al esen elcasoqueseusó l oscoefici entesdeacti vi dad. E##o# =



E !e/#$co− E e)pe#$men!al ) 100 E !e/#$co

Par aZnSO4 ( 0. 1Mx0. 15)y CuSO4 ( 0. 1Mx0. 16) E##o# =



1.1008 - −1.1- , 100 =0.07 1.1008 -




1.0830 - −1.0750- , 100 =0.74 1.0830 -


1.0614 - −1.0560 - 1.0614 -

, 100 =0.51

b)Uti l i zando l al ey de f araday cal cul el a canti dad en gramos de hi drogeno l i beradoenelcátodoycompárel ocon elobteni doexperi mental mente. Hal l andoelval ordem % ) - = R ) T )(

,usandol aLeydeGasI deal .

teórico

m 1 2

)

% " F

Dónde: P=Pr esi ónenat m V=Vol umenenl i t r os R=0. 082at ml /mol . kct edel osgases. T=Temper at ur aengr adoskel vi n. n= W/PF Numer odemol es. P= 756 mmHg = 0. 99at m. R = 0. 082at mL/mol . K 3 V = 20ml= 20x10 L T = 20º C = 293. 15K PF = 2g/mol .

( 1 a!m ) ( 0.020 2 ) (2 & ) m 1 2=

mol

(

0.0821

)

a!m" 2 (294.15 3C ) mol"K m 1 2 !e/#$co =1.656 m&

Apl i candol aLeydeFaraday,parahal l arl amasadelhi drógenoexperi mental l i beradoenelcátodo: m 1 2 exp "=

( % " E 1 2 ) ) ' ) ! 96500 C

Dónde: m =masae ngr amosdel asust anci a. PE=pesoequi val ent e. I =i nt ensi dadenamper i os. t =t i empoensegundos. C =c ar gae ncoul ombs.

PEH2 = 1eqg I = 0. 60A t =Ti empoPromedi o= !$empo=

240 + 268 + 290 =249.33 se&undos 3

Reempl azandoenl aecuaci óndeFaradayseobt i ene: m 1 2 exp "=

( 1 & / eq −& ) ) 0.6 A ) 249.33 s 96500C

m 1 2 exp "=1.5503 m&

Cal cul ando elpor cent aj e de er r orde l a masa de hi drógeno l i berada en el cátodo: E##o# =

1.656 m&−1.5503 m& , 100 = 6.38 1.656 m&

ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS  :omo se puede o"servar, los errores e0perimentales comparados con las dos maneras para $allar los potenciales de celda son pequeos; pero estos errores van disminuyendo a medida que la concentración va aumentando, esto es de"ido a que a mayor concentración, $a"rá mayor cantidad de iones que permitan el flu&o de electrones, y por tanto una "uena lectura en el multímetro; si la concentración fuera "a&a, el flu&o

de electrones sería difícil, y entonces tam"ién sería difícil la lectura de diferencia de potencial.  El valor de las actividades se ve afectado a medida que cam"ia la concentración, como se sa"e las actividades se $allan al multiplicar el coeficiente de actividad de diversas sustancias por su concentración, los valores de los coeficientes se pueden encontrar en diversas ta"las y manuales químicos.  :omo se puede notar en la sección de los cálculos, las masas de $idrógeno generado por electrólisis calculadas por la ecuación de -araday y la $allada por la ecuación general de los gases difieren entre

sí por un error del 6.38 < !para ver los datos completos referirse a la sección de ta"las y resultados# tomando el valor teórico como el calculado a partir de la ecuación planteada por -%C%?%.

 Este margen de error puede de"erse a que en la "ureta no pudo encontrarse 1nicamente $idrógeno, sino tam"ién, que una gran cantidad de aire pudo quedarse a1n atrapado dentro de la "ureta. Fal vez se necesitó de&ar un poco más de tiempo para que el aire pudiera salir en su mayoría. El conteo del tiempo tam"ién es un factor crucial, para efectos de cálculo, ésta cantidad de"e ser tomada lo más e0acta y precisa posi"le a fin de tener un resultado acepta"le en la ecuación de -araday.

RECOMENDACIONES  e recomienda cali"rar el instrumento de medida del volta&e en nuestro caso es el voltímetro, ya que podemos tener errores instrumentales al querer medir el volta&e.  Es recomenda"le calentar la solución de sulfato de co"re, como el sulfato de zinc a una misma temperatura, recomenda"le tra"a&ar a temperatura de am"iente, 8G9:, para tener una me&or medida en el volta&e.

 Es recomenda"le li&ar los electrodos de co"re y zinc para que la corriente en este caso flu&o de electrones en los cationes y aniones al reducirse y o0idarse pasen a través de los electrodos sin interferencias y tener una lectura del volta&e adecuado.  %l tra"a&ar en una celda electrolítica y medir el tiempo en que demora en descender el o0ígeno es necesario descender al mismo tiempo la pera de decantación para tener una misma presión y evitar errores al momento de leer el tiempo.  Fam"ién se recomienda tra"a&ar con una intensidad de corriente la adecuada no tan pequeo como tam"ién alta para tener una masa de o0igeno considera"le y así apreciar me&or el descenso del o0ígeno.

CONCLUSIONES  La ley de -araday se usa para calcular la masa de una sustancia en una celda electrolítica, ya sea si dic$a masa se calcula por reducción u o0idación de los electrolitos a tra"a&ar.  Las celdas electrolíticas son sistemas que necesitan energía eléctrica para su funcionamiento, por lo general de tra"a&a con generadores de corriente eléctrica continua.

 % diferencia de una celda electrolítica en una celda galvánica se genera energía eléctrica continua con el consumo de los electrolitos que se tra"a&an.  La ecuación de 2ernst es importante ya nos permite calcular las fem de una celda galvánica diferente a la estándar, es decir la fem no estándar.  El puente salino es importante ya que permite cu"rir los gastos de iones en una semicelda de reducción, mientras que en la otra permite contrarrestar el e0ceso de iones que se generan en la semicelda de o0idación.

CUESTIONARIO '. Cespuesta4 :uando la reacciones redo0, son espontáneas, li"eran energía que se puede emplear para realizar un tra"a&o eléctrico. Esta tarea se realiza a través de una celda voltaica o !alv"nica#$

La% Celda% !alv"nica%& son un dispositivo en el que la transferencia de electrones, !de la semireacción de o0idación a la semireacción de

reducción#, se produce a través de un circuito e0terno en vez de ocurrir directamente entre los reactivos; de esta manera el flu&o de electrones !corriente eléctrica# puede ser utilizado. En la siguiente figura, se muestran los componentes fundamentales de una celda !alv"nica o voltaica4

'C()o *unciona una celda !alv"nica+ En la %e)icelda an(dica ocurren las o0idaciones, mientras que en la %e)icelda cat(dica ocurren las reducciones. El elect,odo an(dico , conduce los electrones que son li"erados en la reacción de o0idación, $acia los conducto,e% )et"lico% . Estos conductores eléctricos conducen los electrones y los llevan $asta el elect,odo cat(dico ; los electrones entran así a la semicelda catódica produciéndose en ella la reducción.

La pila galvánica, consta de una lámina de zinc metálico, Hn !electrodo anódico#, sumergida en una disolución de sulfato de zinc, Hn> /, '  !solución anódica# y una lámina de co"re metálico, :u !electrodo catódico#, sumergido en una disolución de sulfato de co"re, :u> /, '  !solución catódica#. El funcionamiento de la celda se "asa en el principio de que la o0idación de Hn a Hn8I y la reducción de :u 8I a :u se pueden llevar a ca"o simultáneamente, pero en recipientes separados por un puente salino, con la transferencia de electrones, e *, a través de un alam"re conductor metálico e0terno.

La% l")ina% de -inc . co/,e %on elect,odo% . Lo% elect,odo% son la superficie de contacto entre el conductor metálico y la solución de semicelda !anódica o catódica #. Si el elect,odo no 0a,tici0an de la ,eacci(n ,edo1 ni %e o1ida ni %e ,educe#& %e le lla)a elect,odo ine,te o 0a%ivo. Cuando 0a,tici0a de la ,eacci(n ,edo1& co)o e% e%te ca%o& %e deno)ina elect,odo activo$ Reco,de)o% 2ue: El elect,odo en el 2ue %e 0,oduce la o1idaci(n e% el "nodo y en el que se lleva a ca/o la ,educci(n e% el c"todo$ Los electrones quedan li"res a medida que el zinc metálico se o0ida en el ánodo; fluyen a través del circuito e0terno $acia el cátodo, donde se consumen conforme el :u8I!ac# se reduce. =uesto que el Hn!s# se o0ida en la celda, el electrodo de zinc pierde masa y la concentración de Hn 8I!ac# en la solución aumenta con el funcionamiento de la celda. ?e manera similar, el electrodo de co"re gana masa y la solución de :u 8I !ac# se $ace menos concentrada a medida que el éste se reduce a :u!s#.

Ánodo o1idaci(n# ac#

3n%#

3

3n45

5 4e6 C"todo ,educci(n#

Cu45ac# 5 4e6

3

Cu%# De/e)o% tene, cuidado de los signos que ad&udicamos a los electrodos de una celda voltaica. 7emos visto que se li"eran electrones en el ánodo conforme el zinc se o0ida y fluyen al circuito e0terno. =uesto que los electrones tienen carga negativa, ad&udicamos un signo negativo al ánodo. =or el contrario, los electrones fluyen $acia el cátodo, donde se consumen en la reducción del co"re. En consecuencia, se confiere un signo positivo al cátodo porque parece atraer a los electrones negativos. :on el funcionamiento de la celda, la o0idación del Hn introduce iones Hn8I adicional en el compartimiento del ánodo. % menos que se proporcione un medio para neutralizar esta carga positiva, no podrá $a"er más o0idación. ?e manera similar, la reducción del :u 8I en el cátodo de&a un e0ceso de carga negativa en solución en ese compartimiento. La neutralidad eléctrica se conserva al $a"er una migración de iones a través un puente salino o como en este caso, a través de una "arrera porosa que separa los dos compartimientos.

Un 0uente %alino se compone de un tu"o en forma de JUJ que contiene una solución muy concentrada de un electrólito, !por e&emplo4 2a2> +!ac#, 27/2>+!ac#, 2a:l!ac#, K2>+!ac#, entre otros# cuyos iones no reaccionan con los otros iones de la celda ni con el material de los electrodos.

8.

7 a le. de 8a,ada. de la elect,(li%i% * La masa de una sustancia depositada en un electrodo durante la electrólisis es directamente proporcional a la cantidad de electricidad transferida a este electrodo. La cantidad de electricidad se refiere a la cantidad de carga eléctrica, que en general se mide en coulom"s.

4 a le. de 8a,ada. de la elect,(li%i% * =ara una determinada cantidad de electricidad !carga eléctrica#, la masa depositada de una especie química en un

electrodo, es directamente proporcional al peso equivalente del elemento. El peso equivalente de una sustancia es su masa molar dividido por un entero que depende de la reacción que tiene lugar en el material. +. La diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo cuando circula corriente eléctrica se denomina potencial de la celda AEB y coincide con la fuerza electromotriz. El potencial de una pila electroquímica, nos puede dar muc$a información so"re el sentido en el que se van a verificar las reacciones redo0, por e&emplo4 Hn I :u I8

HnI8 I :u

?E M 'N') O

78 I :uI8

?E M * )N+//

la reacción es espontánea. :u I8 7I O la reacción no es espontánea. Es decir, si el potencial es positivo, será espontánea la reacción y si es negativo, la reacción será forzada. in em"argo, es imposi"le medir el potencial de un electrodo aislado, pero, si ar"itrariamente asignamos un valor cero a un electrodo concreto, este nos puede servir como referencia para determinar los potenciales relativos del resto de electrodos. ?e esta manera, podremos comparar el efecto o0idante o reductor de varias sustancias !su fuerza#. El potencial de referencia que se toma por convenio es el siguiente4 8 7I !' # I 8 e P

78 !' atm#

E !7I378# M ) O

se construyen entonces, pilas electroquímicas donde uno de los electrodos sea el de 7idrógeno y se miden los potenciales.

a9o,a e% evidente 2ue lo% do% 0otenciale% de/en tene, %i!no% di%tinto%& .a 2ue en el 0,i)e, ca%o el cinc %e e%t" o1idando . en el %e!undo& la 0lata %e e%t" ,educiendo$ Pa,a 0ode, 9ace, co)0a,acione% %e to)an& 0o, convenio& la% ,eaccione% en el %entido de ,educci(n 0otenciale% no,)ale% de ,educci(n#: 3n54 5 4 e6 A! 5 7 e6

3n A!

E3n54;3n# < 6 =>?@  EA!5;A!# < =>B= 

con e%te 0,ocedi)iento& 0ode)o% calcula, el 0otencial no,)al de ,educci(n de cual2uie, 0a, ,edo1& . 0o, lo tanto& %e 0od," e%ta/lece, una o,denaci(n del )"% 0o%itivo al )"% ne!ativo$

electroquimica fq 2

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