Electroquímica

REGLA DE FASES 10 de junio de 2014

[UNMSM INDUSTRIAL BASE 13] Pgina 1

FACULTAD DE INGENIERA INDUSTRIAL

Escuela de Ingeniera industrial [17.1]

Regla de fases

2014

Ing. Anbal Figueroa T. PROFESOR

10/ 06/ 2014 FECHA DE PRCTICA

EF GRUPO

MI58FQB

La ciencia ms til es aquella cuyo fruto es el ms comunicable Leonardo Da Vinci

MIERCOLES 5-8pm TURNO

16 06/ 2014 FEHA DE ENTREGA

Dongo Arce Julio 13170166

ALUMNOS

Ramos Flores Edson 13170198 Snchez Ricalde Claudio 13170151

Tarqui Quispe Renzo 13170052

UNMSM



NDICE

I.- Resumen ..................................................... 1

II.- Introduccin ............................................... 2

III.- Fundamentos tericos ............................. 3

IV.- Procedimiento experimental .................... 7

V.- Tablas de datos y resultados .................... 9

VI.- Clculos .................................................... 10

VII.- Anlisis y discusin de resultados ........ 12

VIII.- Conclusiones .......................................... 12

IX.- Recomendaciones .................................... 13

X.- Bibliografa ................................................ 13

XI.- Apndice ................................................... 14



I. RESUMEN

El objetivo esta prctica es estudiar la ecuacin de Nernst aplicada a la celda

electroqumica (Zn/Zn+2 (0.1M) // Cu+2 (0.1M) /Cu ),a diferentes concentraciones

as como el estudio de la ley de Faraday.

Las condiciones de laboratorio en la que se trabajo fueron temperatura: 20C,

presin 756 mmHg, humedad relativa 94%.

Para el caso de la ecuacin de Nernst los potenciales obtenidos fueron:

1.1v ([Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.1M), 1.07v ([Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.01M) y

1.04v ([Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.001M); y el error en cada caso fue de 1.45%,

-0.28% y -1.35% respectivamente.

Para el caso de la celda electroltica la masa experimental fue 1.64x10-3 g de

Hidrogeno y el porcetaje de error fue 26.45%.

De lo anterior se puede concluir que en una celda galvnica a menos

concentracin de una de las soluciones el potencial ser menor y en el caso de

la celda electroltica a mas amperaje la masa obtenida ser mayor.



II. INTRODUCCION

La energa elctrica es una de las formas de energa de mayor importancia

prctica para la vida contempornea. Un da sin energa elctrica, ya sea por

fallas de la compaa que suministra la luz o por falta de bateras, es

inconcebible en nuestra sociedad tecnolgica. El rea de la qumica que

estudia la conversin entre la energa elctrica y la energa qumica es la

electroqumica. Los procesos electroqumicos son reacciones redox en donde

la energa liberada por una reaccin espontnea se transforma en electricidad,

o la electricidad se utiliza para inducir una reaccin qumica no espontnea. A

este ltimo proceso se le conoce como electrlisis

La descomposicin electroltica es la base de un gran nmero de procesos de

extraccin y fabricacin muy importantes en la industria moderna. La sosa

custica (un producto qumico importante para la fabricacin de papel, rayn y

pelcula fotogrfica) se produce por la electrlisis de una disolucin de sal

comn en agua. La reaccin produce cloro y sodio. El sodio reacciona a su vez

con el agua de la pila electroltica produciendo sosa custica. El cloro obtenido

se utiliza en la fabricacin de pasta de madera y papel.

Una aplicacin industrial importante de la electrlisis es el horno elctrico, que

se utiliza para fabricar aluminio, magnesio y sodio. En este horno, se calienta

una carga de sales metlicas hasta que se funde y se ioniza. A continuacin,

se deposita el metal electrolticamente.

Los mtodos electrolticos se utilizan tambin para refinar el plomo, el estao,

el cobre, el oro y la plata. La ventaja de extraer o refinar metales por procesos

electrolticos es que el metal depositado es de gran pureza. La galvanotcnia,

otra aplicacin industrial electroltica, se usa para depositar pelculas de

metales preciosos en metales base. Tambin se utiliza para depositar metales

y aleaciones en piezas metlicas que precisen un recubrimiento resistente y

duradero. La electroqumica ha avanzado recientemente desarrollando nuevas

tcnicas para colocar capas de material sobre los electrodos, aumentando as

su eficacia y resistencia.



III. FUNDAMENTO TEORICO

Electroqumica

Electroqumica es una rama de la qumica que estudia la transformacin entre

la energa elctrica y la energa qumica. En otras palabras, las reacciones

qumicas que se dan en la interfase de un conductor elctrico (llamado

electrodo, que puede ser un metal o un semiconductor) y un conductor inico

(el electrolito) pudiendo ser una disolucin y en algunos casos especiales, un

slido.

Si una reaccin qumica es conducida mediante un voltaje aplicado

externamente, se hace referencia a una electrlisis, en cambio, si el voltaje o

cada de potencial elctrico, es creado como consecuencia de la reaccin

qumica , se conoce como un "acumulador de energa elctrica", tambin

llamado batera o celda galvnica.

Las reacciones qumicas donde se produce una transferencia de electrones

entre molculas se conocen como reacciones redox, y su importancia en la

electroqumica es vital, pues mediante este tipo de reacciones se llevan a cabo

los procesos que generan electricidad o en caso contrario, es producido como

consecuencia de ella.

En general, la electroqumica se encarga de estudiar las situaciones donde se

dan reacciones de oxidacin y reduccin encontrndose separadas,

fsicamente o temporalmente, se encuentran en un entorno conectado a un

circuito elctrico. Esto ltimo es motivo de estudio de la qumica analtica, en

una subdisciplina conocida como anlisis potenciometrito.

Corriente elctrica y movimiento de iones



Estequiometra de la electrolisis

Las relaciones cunticas entre electricidad y cambio qumico fueron descritas

originalmente por Michael Faraday en 1832 y 1833. El trabajo de Faraday se

conoce mejor por la referencia a las medias reacciones que ocurren durante la

electrlisis. El cambio en el ctodo durante la electrlisis del cloruro de sodio

fundido:

Na+ + e- -> Na

Celdas galvnicas, voltaicas o pilas

Funcionan espontneamente.

Utiliza una reaccin qumica para realizar trabajo elctrico.

Funcionamiento:

ej. pila Zn(s) /Zn+2(a M) // Cu+2(b M) /Cu (s)

nodo (-): Oxidacin: Zn(s) Zn2+(ac) + 2e-

Ctodo (+): Reduccin: Cu2+(ac) + 2e- Cu(s)

Puente salino o tapn poroso: flujo de iones.

Los electrones se mueven a travs del circuito externo desde el lugar de la

oxidacin (nodo) hacia el sitio de la reduccin (ctodo).

Aniones



Celda electroltica

Una celda electroltica consta de un lquido conductor llamado electroltico

adems de dos electrodos de composicin similar. La celda como tal no sirve

como fuente de energa elctrica, pero puede conducir corriente desde una

fuente externa denominada accin electroltica. Se usa en electro deposicin,

electro formacin, produccin de gases y realizacin de muchos

procedimientos industriales, un ejemplo es la refinacin de metales.



Siendo la cantidad producida de cualquier sustancia proporcional a la cantidad

de electricidad que atraviesas la celda. Esta relacin fue descubierta por Michel

Faraday y resumida en lo siguiente: 96500 coulombs de electricidad producen

un equivalente gramo de determinada sustancia en cada electrodo. Segn

faraday:

M = (PE) I t

96500C

Si debido al flujo de la corriente los electrodos se tornan desiguales, es posible

que ocurra una accin voltaica.

Una celda electroltica se produce una reaccin de descomposicin en base a

los electrones que circulan por la solucin electroltica.

Una celda voltaica se produce una reaccin y como consecuencia de esa

reaccin se liberan electrones producindose una diferencia de potencial

(generas corriente elctrica).



IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Ecuacin de Nernst

Preparamos en fiolas diferentes 250mL de las soluciones CuSO4 0.01M

y 0.001M.

Luego vertimos 200 mL de ZnSO4 0.1 M en un vaso de precipitados y

hicimos lo mismo con la solucin CuSO4 0.1M y lo conectamos dichos

vasos con el puente salino.

Seguidamente lijamos las 2 lminas metlicas y las enjuagamos con

agua destilada.

Luego conectamos el cordn elctrico negro en COM y el rojo en v

del multmetro. Luego el otro extremo del cordn negro lo conectamos

con la lamina se Zn y al rojo con la lamina de Cu, y lo introducimos en

sus respectivas soluciones tratando que estas no hagan contacto con las

pinzas.

Luego giramos la perilla del multmetro hasta 2V en DCV y se encendi

el aparato.

Luego dejamos que la lectura se estabilice y anotamos.

Repetimos el procedimiento para soluciones de CuSO4 0.01M y CuSO4

0.001M.



Ley de Faraday

Primero se verti 200 mL de solucin de NaOH 4N en un vaso de

250mL.

Luego conectamos la bureta con el tubo con salida lateral y manteniendo

abierto el conducto que conecta con el ambiente se procedi a nivelar el

volumen de agua en la bureta en cero subiendo o bajando la pera de

decantacin del gasmetro.

Luego introducimos un electrodo de acero inoxidable con el tubo con

salida lateral (ctodo) en el vaso que contiene la solucin de hidrxido

de sodio hasta aproximadamente 1 cm. del fondo del mismo.

Seguidamente instalo el otro electrodo de acero (nodo) al mismo nivel

que el anterior.

Luego conectamos el Terminal negativo de la fuente de corriente con el

ctodo y el Terminal positivo con el nodo.

Luego graduamos 0.2 A en la fuente de corriente continua.

Luego de encender la fuente dejamos pasar unos 2 minutos antes de

comenzar el experimento para que el hidrogeno desplace todo el aire.

Luego cerramos el conducto que conecta con el ambiente y al mismo

tiempo se puso en marcha el cronometro y controlamos el tiempo que

demora en producir 20mL de hidrogeno.

Durante todo este tiempo se mantuvo el nivel del agua dentro de la

bureta igual al nivel de agua dentro de la pera de decantacin.

Apuntamos los resultados.



V. TABLA DE DATOS Y RESULTADOS

a) Condiciones de laboratorio

Presin (mmHg) 756

Temperatura 21

%Humedad Relativa 94

b) Celda galvanica

Concentracin de [Zn+2]

Concentracin de [Cu+2]

Potenciales tericos

Potenciales experimentales

0.1 M 0.1 M

1.1v 1.101 v

0.1 M 0.01 M 1.071 v 1.084v

0.1 M 0.001 M 1.042v 1.051 v

c) Celda electroltica

I(A) V H2 (mL) t(s) T(C) T(K)

0.6 20.0 261.7 21 294

d) Porcentajes de error en la celda galvnica e) Porcentajes de error en la celda electroltica

Potenciales tericos

Potenciales experimentales

% Error

1.1 v 1.101 v -0.09

1.074 v 1.084v -0.93

1. 042v 1.051v -0.86

Masa de H2 tericos (g) Masa de H2

experimentales (g) % Error

1.6272x10-3 1.6484 x10-3 1.29



VI. CALCULOS a) Mediante la ec. De Nernst calcule el potencial de celda para cada

par de soluciones.

Ecuacin de Nernst

][

][ln

2

2

)()(

Cu

Zn

nF

RTEE vv

T = 25C=298K R = 8.314 Jmol/K n = 2 F = 96500 C

Potenciales tericos Para [Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.1M

E(V)=1.1v Para [Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.01M

E(V)=1.074v

Para [Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.001M

E(V)=1.042 v Calculo de porcentaje de error

%100%exp

teorico

teorico

V

VVError

Para [Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.1M

%09.0%1001.1

01.11.1%

Error %Error= -0.09%

Para [Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.01M

%93.0%100074.1

084.1074.1%


Para [Zn+2] = 0.1M y [Cu+2] = 0.001M

%86.0%100042.1

051.1042.1%




b) Utilizando la ley de Faraday calcule la cantidad en gramos de hidrogeno liberado en el ctodo y comprelo con el obtenido experimentalmente.

Sea:

C

tIPEm

96500

)(

Donde:

M = masa de sustancia

PE. = peso equivalente de sustancia

I = amperios

t = tiempo en seg.

-Para nuestra experiencia:

t = 261.7 seg.

g1.6272x1096500

7.2616.01 -3

tericam de hidrogeno

Segn nuestra experiencia se produjo 20 mL de hidrogeno: Sabemos:

PV=RTn M

mRTPV

TR

MVPmH

2

Ademas: P=756mmHg T=21C=294K M =2 g/mol V=20mL=0.02 L R=62.4mmHg-L/mol-K Reemplazando:

mexp=1.6484x10-3 g de Hidrogeno

Calculo de porcentaje de error

%29.1%100106484.1

106272.1106484.1%

3

33

Error



VII. Anlisis y discusin de resultados

En la primera parte del experimento (ecuacin de Nerst) obtuvimos los

potenciales tericos utilizando las ecuaciones de Nerst, al compararlos

con los potenciales experimentales obtuvimos errores muy pequeos:

1.45%, -0.28% y -1.35%, esto se debi travs a la precisin del

voltmetro, a las concentraciones exactas de los sulfatos y tambin q

lijamos bien las laminas de zinc y de cobre, en fin cumplimos con el

cuidado necesario para el experimento.

En el experimento de la ley de Faraday (celda electroltica) obtuvimos un

error bastante grande 26.45, el error se puedo haber producido por que

en los clculos no se tomo en cuenta la presin de vapor. Tambin por

la graduacin del amperaje pudo no haber sido exacta, o por un error en

la medicin del tiempo.

VIII. Conclusiones

La celda galvnica esta basada en la oxidacin - reduccin donde se

produce un cambio en los #s de oxidacin de las sustancias, esta

reaccin produce un diferencial de potencial lo generando corriente

elctrica.

Los electrones tienen que fluir por el circuito externo desde el electrodo

negativo al positivo. En el electrodo negativo tiene lugar la oxidacin y la

reduccin se verifica en el electrodo positivo. Esto es lo q genera la

corriente elctrica.

La diferencia de potencial vara d forma directa con la concentracin.

El uso del puente salino es importante pues conecta las 2 soluciones,

evitando su mezcla.

La masa desprendida en un electrodo de una solucin es proporcional a

la cantidad de electricidad que est pasando



IX. Recomendaciones

Lavar bien los recipientes a utilizar par as evitar variaciones en la

concentraciones o quitarle pureza a las sustancias.

En el proceso de la celda electroltica hay que tener cuidado de conectar

los cables positivo y negativo de la fuente en sus respectivos lugares ya

que de producirse este error el experimento estara completamente

errado.



XI. APENDICE

CUESTIONARIO

1. A qu se denomina electrolitos, mencione tres ejemplos.

Un electrlito es una sustancia que se descompone en iones (partculas

cargadas de electricidad) cuando se disuelve en los lquidos del cuerpo o el

agua, permitiendo que la energa elctrica pase a travs de ellos. Algunos de

los ejemplos de electrolitos son el sodio, el potasio, el cloruro y el calcio. La

responsabilidad principal de los electrolitos en los seres vivos es llevar

nutrientes hacia las clulas y sacar los desechos fuera de estas.

Los electrlitos pueden ser dbiles o fuertes, segn estn parcial o totalmente

ionizados o disociados en medio acuoso. Un electrolito fuerte es toda

sustancia que al disolverse en agua lo hace completamente y provoca

exclusivamente la formacin de iones con una reaccin de disolucin

prcticamente irreversible. Un electrolito dbil es una sustancia que al

disolverse en agua lo hace parcialmente y produce iones parcialmente, con

reacciones de tipo reversible.

Los electrolitos generalmente existen como cidos, bases o sales.

Un electrlito se describe como concentrado si tiene una alta concentracin

de iones; o diluido, si tiene una baja concentracin. Si tiene una alta

proporcin del soluto disuelto se disocia en iones, la solucin es fuerte; si la

mayor parte del soluto permanece no ionizado la solucin es dbil.

Los electrlitos juegan un papel importante en los seres vivos. Ayudan a

mantener el fluido adecuado y el balance cido-base dentro del cuerpo.

Algunos de los cationes biolgicos ms importantes son Na+, K+, Ca^2+ y

Mg. Adems del Cl-, el O^2- y el S^2-, los aniones ms importantes son los

aniones poliatmicos. Un in poliatmico es un in que contiene ms de un

tomo. Ejemplos de iones poliatmicos son, el in bicarbonato (HCO3-), que

es un anin compuesto de cinco tomos, al igual que el ion sulfato (SO4^2-);

el catin amonio (NH4+) compuesto por cinco tomos, etc.



Ejemplos:

-Cloruro de sodio fundido (NaCl).

- cido ntrico.

- Cloruro mercurioso (HgCl2)

2. Qu es la FEM? Mencione algunas aplicaciones.

La fuerza electromotriz (FEM) es toda causa capaz de mantener una

diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de

producir una corriente elctrica en un circuito cerrado. Es una

caracterstica de cada generador elctrico. Con carcter general puede

explicarse por la existencia de un campo electromotor cuya

circulacin, ds, define la fuerza electromotriz del generador.

La f.e.m. se mide en voltios, al igual que el potencial elctrico.

Existen diferentes dispositivos capaces de suministrar energa elctrica,

entre los que podemos citar:

Pilas o bateras. Son las fuentes de FEM ms conocidas del gran

pblico. Generan energa elctrica por medios qumicos. Las ms

comunes y corrientes son las de carbn-zinc y las alcalinas, que cuando

se agotan no admiten recarga. Las hay tambin de nquel-cadmio

(NiCd), de nquel e hidruro metlico (Ni-MH) y de in de litio (Li-ion),

recargables. En los automviles se utilizan bateras de plomo-cido, que

emplean como electrodos placas de plomo y como electrolito cido

sulfrico mezclado con agua destilada.

Mquinas electromagnticas. Generan energa elctrica utilizando

medios magnticos y mecnicos. Es el caso de las dinamos y

generadores pequeos utilizados en vehculos automotores, plantas

elctricas porttiles y otros usos diversos, as como los de gran

tamao empleado en las centrales hidrulicas, trmicas y atmicas,

que suministran energa elctrica a industrias y ciudades.



Celdas fotovoltaicas o fotoelctricas. Llamadas tambin celdas

solares, transforman en energa elctrica la luz natural del Sol o la de

una fuente de luz artificial que incida sobre stas. Su principal

componente es el silicio (Si). Uno de los empleos ms generalizados

en todo el mundo de las celdas voltaicas es en el encendido

automtico de las luces del alumbrado pblico en las ciudades.

Efecto piezoelctrico. Propiedad de algunos materiales como el

cristal de cuarzo de generar una pequea diferencia de potencial

cuando se ejerce presin sobre ellos. Una de las aplicaciones

prcticas de esa propiedad es captar el sonido grabado en los

antiguos discos de vinilo por medio de una aguja de zafiro, que al

deslizarse por los surcos del disco en movimiento convierten sus

variaciones de vaivn en corriente elctrica de audiofrecuencia de

muy baja tensin o voltaje, que se puede amplificar y or a un nivel

mucho ms alto.

3. Explique de que forma se pueden predecir los productos en un

proceso electroltico.

En un proceso electroltico se puede predecir los resultados mediante

las ecuaciones de reaccin. Adems que si se tienen todos los datos

necesarios (intensidad de corriente, tiempo) el clculo se hace

simple.

Por ejemplo para la solucin de hidrxido de sodio se sabe que se

forman los iones H+ y O-2, una vez que empiece a pasar corriente

elctrica el H+ (positivo) se dirigir al ctodo y el O-2 (negativo) ira

hacia el nodo. Originando gas hidrogeno en el ctodo y gas oxigeno

en el nodo.



X. BIBLIOGRAFIA

http://apuntescientificos.org/fases-gibbs-qfi.html

http://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica1/gibbs.htm

G. W. Castellan. 1971 "Physical Chemistry", Addison- Wesley Publishing Co. Reading, Massachusetts. Captulo 15.

G. M. Barrow, 1988 "Physical Chemistry", McGraw-Hill, Inc., New York. Captulo 11.

Levine I. Fisicoqumica 4ta Edicin (Pag 360-368)

http://es.wikipedia.org/wiki/Electroqu%C3%ADmica

http://www.electronica2000.info/2008/01/04/celda-electrolitica/

http://es.wikipedia.org/wiki/Electrolito

http://docencia.udea.edu.co/cen/electroquimicaII/sistemas/sistemas_4.php?t=4

Electroquímica

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