Celda galvnica de cobre y zincSebastin Tovar Molina* (1235115), Christian Rojas De La Cruz* (1240148), Cristian Daniel Bernal Piamba* (1244682)sebastovarm@gmail.com, christian_rojas_21@hotmail.com, cristian.bernal@correounivalle.edu.co

Departamento de Qumica*, Facultad de Ciencias, Universidad del Valle.

Fecha de Realizacin: 28 de Mayo de 2013.Fecha de Entrega: 11 de Junio de 2013.

ResumenSe prepar una celda galvnica en la que consista en un electrodo negativo (nodo) de zinc metlico sumergida en una solucin de ZnSO4 y un electrodo positivo (ctodo) de cobre sumergida en una solucin de CuSO4 con el fin de determinar su potencial de celda obteniendo como resultado 1.090 V en donde las dos soluciones fueron de 10.0 mL a 1.0M; procediendo de la misma forma se construyeron cuatro celdas ms en la que se variaba la concentracin de CuSO4 dichas concentraciones fueron 0.1M, 0.01M, 0.001M, 0.0001M y sus potenciales de celda fueron 1.070V, 1.065V, 1.048V y 0.094V respectivamente. Tambin se determin la reaccin que ocurri al introducir una granalla de zinc en una solucin de CuSO4 y al sumergir una lmina de cobre en una solucin de ZnSO4, donde el zinc de la granalla desplaz al cobre de la solucin de CuSO4 pero no ocurri lo mismo con la lmina de cobre en la solucin de ZnSO4 Palabras clave: Celda galvnica; nodo; Ctodo; Puente salino; Voltaje.

6

1. ObjetivosGeneralConstruir una celda galvnica con las soluciones ZnSO4 (ac) y CuSO4 (ac) para conocer el efecto del cambio de las concentraciones sobre el valor de su potencial.

EspecficosA travs de la ecuacin de Nernts determinar los potenciales tericos para ser comparados con los obtenidos experimentalmente.

Analizar la degradacin de la granalla de zinc en la solucin de CuSO4 y el acontecimiento

de la lmina de cobre en la solucin de ZnSO4.Analizar y determinar la zona del electrodo donde ocurre la coloracin violeta pardo.

2. IntroduccinEl objetivo de la prctica es medir el potencial de la celda galvnica de Zinc y Cobre dependiendo de la concentracin de una solucin de CuSO4, para cada prueba se va cambiando a una solucin menos concentrada. La celda galvnica es un dispositivo experimental por el cual se puede generar electricidad mediante una reaccin qumica , est conformada por 2 vasos de precipitados con ZnSO4 y CuSO4 en cada uno, un puente salino, una lmina de cobre sumergida en la solucin de CuSO4 que funcionaba como ctodo y una lmina de zinc en la solucin de ZnSO4 que funcionaba como nodo [3], al final se colocan las lminas de zinc y cobre en un papel filtro humedecido con 0.5 M de KI y gotas de almidn, uno de los terminales se tie de azul. Luego se analiza la relacin entre la concentracin de la solucin con el voltaje y la formacin del complejo de cobre en el papel filtro.

3. Metodologa experimental.Se construy una Celda galvnica en la cual las soluciones de ZnSO4 (ac) y CuSO4 (ac) se depositaron en vasos de precipitados con volmenes de 10.0 mL cada uno medidos mediante una pipeta volumtrica de 10.0 mL con precisin 0.02 mL como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Celda galvnica de cobre-zinc con soluciones de ZnSO4 y CuSO4.Inicialmente se tom el potencial de la celda galvnica mediante el voltmetro para las soluciones de ZnSO4 (ac) y CuSO4 (ac) con concentraciones de 1.0 M cada una. Este procedimiento se repiti para las concentraciones de 0.1M, 0.01M, 0.001M, 0.0001M de la solucin CuSO4 trabajando con la solucin ZnSO4 1.0M para cada una de estas diferentes concentraciones.Posteriormente se introdujo una lmina de cobre en la solucin de ZnSO4 1.0M y una granalla de zinc en la solucin de CuSO4 1.0M con el fin de observar los cambios que se presentaran. Finalmente se conect los terminales de los cables del voltmetro a un pedazo de papel filtro humedecido con solucin KI/almidn 0.5M en KI sumergido en las soluciones ZnSO4 1.0M y CuSO4 1.0M con el fin de observar en qu terminal del papel se haba teido de color violeta pardo.

4. Datos y Clculos Los datos obtenidos en la determinacin de los potenciales de las distintas celdas usadas en la prctica teniendo como constante la concentracin de la solucin ZnSO4 1.0 M se observan en la siguiente tabla.

Tabla 1. Concentraciones de CuSO4 (ac) vs potenciales de la celda hallados experimentalmente.

Concentracin de CuSO4 (ac) (M)Potencial experimental (V)

1.01.090

0.11.070

0.011.065

0.0011.048

0.00010.094

Para comparar los potenciales tericos con los medidos experimentalmente se debe hacer uso de la ecuacin de Nernst, la cual es la siguiente.

Ecuacin 1. Ecuacin de Nernts

Donde n= 2 electrones y E= 1.10 V, estos se consideran como constantes. Adems no se tiene en cuenta el cobre y el zinc slidos puestos que no intervienen en la reaccin ya que son especies puras (muy estables) y novaran durante la reaccin.El potencial estndar de la celda para 1.0 M de CuSO4 (ac) y 1.0 M ZnSO4 (ac) segn la anterior ecuacin es:

Por consiguiente 1.10 V es el potencial de la celda terica cuando la concentracin de CuSO4 (ac) es de 1.0 M. Para analizar el porcentaje de error del potencial de la celda medido experimentalmente con respecto al potencial terico se utiliz la ecuacin 2.

Ecuacin 2. Error porcentual.En base a la ecuacin 2 se tiene que el porcentaje de error para la concentracin 1.0 M es:

A cada una de las diferentes concentraciones de CuSO4 (ac) se determin el potencial de la celda terico y luego se compar con el potencial experimental para determinar el error porcentual como se hizo anteriormente, los datos se muestran en la tabla 2.

Tabla 2. Potencial terico segn la variacin de concentracin Cu+2 y error porcentual.

[Cu+2] MPotencial terico (V)Porcentaje de error (%)

1.01.100.91

0.11.0700.00

0.011.0412.33

0.0011.0113.64

0.00010.98290.42

Para mirar el comportamiento grafico del potencial de la celda tanto experimental como el terico se grafic por medio de la ecuacin de Nernst la relacin del potencial de la celda (V) versus Logaritmo de la concentracin [Zn+2]/ [Cu+2].

Grfica 1. Potencial vs logaritmo ([Zn+2]/ [Cu+2]) para valores experimentales y tericos.

5. Resultados y discusinPara la preparacin de la celda galvnica se obtiene energa elctrica a partir de una reaccin redox espontanea, cuando se verti 10.0 mL de las soluciones de ZnSO4 1.0M y CuSO4 1.0M, cada una en un vaso de precipitados, unidas por medio de un puente salino que contena una solucin de KCl. En el nodo (electrodo negativo) que era la lmina formada por zinc ocurri el proceso de oxidacin como se ve en la semireaccin 1 y en el ctodo (electrodo positivo) que era la lmina formada por cobre ocurri el proceso de reduccin como se ve en la semireaccin 2.

Semireaccion 1. Semireaccin de oxidacin del Zinc.

Semireaccion 2. Semireaccin de reduccin del Cu+2.

Esto tambin se puede apreciar cuantitativamente porque el electrodo que se reduce es el que tiene mayor potencial de reduccin en este caso el electrodo de Cu que tiene un potencial de reduccin de 0.34 voltios a diferencia del electrodo de Zn con potencial de reduccin de -0.76voltios.

Reaccin 3. Reaccin redox de Cu y Zn. Esta es una reaccin de xido reduccin como se dijo anteriormente en la cual hay transferencia electrnica entre los reactivos, dando lugar a un cambio en los estados de oxidacin de los mismos con respecto a los productos donde el Zn acta como agente reductor debido a que aumenta su estado de oxidacin es decir, se oxida ya que pasa de Zn0 a Zn2+ y el cobre acta como agente oxidante debido a que disminuye su estado de oxidacin es decir, se reduce ya que pasa de Cu2+ a Cu0.El potencial medido es el trabajo mximo que la celda puede realizar o la cantidad de energa elctrica que se puede tener de la reaccin [3]. Este mismo procedimiento se realiz variando la concentracin de la solucin de CuSO4, para las concentraciones 0.1M, 0.01M, 0.001M y 0.0001M, por lo que se puede decir que al disminuir la concentracin de CuSO4 como resultado de esto el potencial de la celda tambin disminuye como se observa en tabla 1 debido a que al haber menor cantidad de molculas de Cu hay menor intercambio electrnico por ende el potencial disminuye por principio de Le Chtelier que al variar esta concentracin se est aplicando una tensin externa que afecta el cociente de reaccin por ende esta reaccin proceder con mayor dificultad de izquierda a derecha a medida que se le fue disminuyendo la tensin al sistema. Con lo anterior y junto con la grfica 1 se puede decir que la concentracin y el potencial son directamente proporcionales. Despus de linealizar la grfica 1 por medio del programa Origin se calcul las pendientes del potencial terico la cual fue -0.0296 y la pendiente del potencial experimental que correspondi a -0.2013, los valores negativos indican que la grfica es decreciente, es decir que a medida que la concentracin disminuye ocurre lo mismo con el potencial.Segn la ecuacin 1 y lo establecido anteriormente la pendiente corresponde a -0.0592/2 por lo cual las pendientes calculadas anteriormente deben ser muy cercanas al valor de -0.0296 , si se observa la pendiente del valor terico corresponde al mismo valor por lo tanto si existe una relacin lineal como se mencion anteriormente, en cambio la pendiente del valor experimental es cercano al valor real de la pendiente esto se debe a la dispersin de los datos de potencial y el error porcentual calculado anteriormente esto ocurre porque en el laboratorio se han tomado estas medidas a condiciones diferentes de las estndar, lo cual causa que un valor cambie ya sea de forma positiva o negativa. Adems de que es imposible tomar una medida exacta ya que el potencial tambin vara por el tiempo en el que las lminas estn sumergidas (desgaste del electrodo) [3]. El error porcentual del potencial de la celda obtenido experimentalmente los cuales son muy pequeos comparadas con el valor de la celda terica pueden ser sistemticos relacionado con la incertidumbre de escala del voltmetro la cual es 1% es decir (0.01) V, tambin hay errores por el aumento en la resistencia en los circuitos cuando no hay buen contacto elctrico. Los cambios de temperatura causan variaciones en las resistencias y las fuentes de voltaje comunes. Teniendo en cuenta estos factores se puede decir que son comprensibles los errores obtenidos.Cuando se introdujo la lmina de zinc en la solucin de CuSO4 esta inmediatamente se cubri de una capa de color negro, la cual era cobre metlico; esto ocurre porque los cationes de Cu2+ presentes en la solucin reacciona con el Zn solido transfiriendo los electrones del Zn al Cu, al ocurrir esto el cobre se solidifica y forma la capa negra que cubre al Zn debido atracciones electrostticas y al constante intercambio elctrico entre las dos especies, debido a que el zinc es ms reactivo que el cobre este lo desplaza en la solucin y el cobre se precipita por esta razn es una reaccin espontnea; la reaccin que ocurre:

Reaccin 4. Reaccin espontnea del Zn.

La lamina de Zn poco a poco se iba desintegrando esto debido a la prdida de 2 electrones que fluan desde el nodo (lamina de Zn) hacia el ctodo (lmina de Cu) pasando el Zn de la lmina a convertirse en Zn+2 de la solucin de ZnSO4 (proceso de oxidacin).Este flujo de electrones, que va del nodo hacia el ctodo hizo que marcara el voltmetro 1.090 voltios.Cuando se introduce la lmina de cobre dentro de la solucin de ZnSO4 no ocurre ninguna reaccin debido a que el cobre tiene menor reactividad que el zinc y no lo desplaza esta es una reaccin espontnea en sentido inverso, es decir para que ocurra hay que aplicarle un potencial elctrico.Al formarse de color violeta pardo la zona del electrodo donde estaba el Cobre fue la combinacin de cobre y yodo (CuI) el sulfato de cobre reacciona con el yoduro de potasio

Reaccin 5. Reaccin de cobre ms yoduro de potasio.

Es decir Cu2+ ms 2I- produjo CuI2.Un mol de cobre con carga positiva de 2+ se une con 2 moles de yodo cargado negativamente de 1- y forman CuI2. El CuI2 se descompone fcilmente as:

Reaccin 6. Descomposicin del yoduro de cobre.

El ion yoduro es un suficientemente fuerte agente reductor de manera que se reduce elcobre(II) a cobre (I) y luego se precipita rpidamente como CuI.CuI es muy insoluble.La "inestabilidad" es en realidad un resultado de la electroqumica y la solubilidad. CuI es muy insoluble y no existe en la solucin [4].Esta baja concentracin de Cu es suficiente para el rango negativo y hacer que la formacin de CuI y I2 sea espontnea.

6. Preguntas.1. a) Los telfonos celulares, bateras de computadoras porttiles y otros dispositivos electrnicos utilizan bateras de ion de Litio, explique en qu consiste el funcionamiento de esta clase de bateras.Las bateras de ion Litio funcionan con el traspaso de iones Li+ del ctodo al nodo.La batera est compuesta por un ctodo es un electrodo negativo que atrae iones positivos est formado por aleaciones de litio con otros metales como cobalto; un nodo es el electrodo positivo que atrae iones negativos, est hecho de grafito; una solucin electroltica que permite el paso de iones pero no de electrones.Este circuito se cierra exteriormente lo que permite el paso de electrones, los iones Li+ fluyen del ctodo al nodo a travs de la solucin electroltica, con el fluido de electrones se obtiene la energa, cuando todos los iones de Litio estn en el nodo no habr flujo de electrones y la batera se ha agotado.Para recargar la batera de ion Litio se aplica flujo de electrones en sentido inverso, lo que hace que los iones de litio vuelvan a su posicin inicial en el ctodo y se pueda repetir el proceso de descarga [2].

b) Indague sobre el mito urbano de "recargar las bateras en el refrigerador", y explique qumica y razonablemente si es posible o no que se recarguen mediante este mtodo.Las bateras liberan energa a travs de reacciones qumicas y la las reacciones qumicas se ven afectadas por la temperatura, una batera que trabaja a una temperatura de 20C va a durar ms que una batera que trabaja a 40C, entonces si una batera se mete a un congelador lo nico que suceder que la reaccin qumica de auto descarga suceda ms lento, pero no habr ningn tipo de recarga.

2. La electrlisis de la sal de cocina (NaCl) permite producir compuestos como HCl, NaOH y gas hidrgeno, explique en qu consiste este procedimiento.Para la electrolisis de NaCl, habr un ctodo y un nodo sumergidos en agua que tiene disuelto NaCl, cuando la corriente pasa los iones Na+ se atraen por el ctodo y los aniones Cl- se atraen por el nodo, al mismo tiempo se produce la ionizacin del agua, los iones H+ y OH-, los iones OH- se combinan con iones Na+ formando NaOH. Los aniones Cl- sucede la siguiente reaccin de reduccin 2Cl- Cl2 + 2e-, el cloro molecular esta en forma de gas escapando y los dos electrones liberados los aprovecha el H+ reaccionando as: 2H+ + 2e- H2, el H2 es gaseoso y tambin escapa.

3. El efecto diagonal en electroqumica (muy ligado a la serie de reactividad de los metales) establece que los elementos que se encuentren con potencial negativo, es decir por encima del potencial estndar del hidrgeno (0.0 V), sern capaces de reducir elementos que se encuentren por debajo del potencial estndar del hidrgeno (potencial positivo), es por ello que el Zn fue capaz de reducir el Cu+2 a Cu, tal como muestra el ejemplo.Semireaccion de reduccinPotencial (V)

Li+ + e- Li-3.05

Zn+2 + 2e- Zn-0.76

2H+ +2e- H20.0

Cu+2 + 2e- Cu0.34

El Zn est sobre el Cu+2, esto causar que ste se reduzca.

Busque una tabla de potenciales estndar de electrodo (en libros o la web) y explique si es posible que ocurra o no lo siguiente.

a) Que el cobre libere hidrgeno tras reaccionar con HCl (iones H+)El cobre no liberara hidrogeno pues el hidrogeno tiene un potencial estndar de 0.00 mientras el cobre tiene +0.34, el potencial de hidrogeno es mayor que el cobre por lo tanto no lo desplazar [1].

b) Que el cromo reaccione con HCl y desprenda hidrgenoEl cromo al reaccionar con HCl liberar hidrogeno, pues el cromo tiene un potencial de -0.74 mayor al del hidrogeno 0.00 [1].

c) Que el oro reaccione en medio cido desprendiendo hidrgeno.El oro no liberar hidrogeno, es uno de los metales que menos tiene fuerza de reduccin, tiene un potencial de +1.50, mucho menor al H2 [1].

d) Que el Cadmio y el plomo desprendan hidrgeno tras reaccionar con cido ntrico.El Cadmio desplazar hidrogeno al reaccionar con cido ntrico, formando nitrato de cadmio y H2, el cadmio tiene un potencial de -0.40El Plomo para poder desplazar hidrogeno debe de estar a altas temperaturas, el potencial del plomo es de -0.13, apenas superior al H2, pero suficiente para liberar H2 en acido [1].

7. Conclusiones Todas las reacciones electroqumicas implican la transferencia de electrones y por lo tanto, son reacciones redox. En la reaccin electroqumica al disminuir la concentracin de CuSO4 se produce de igual manera una disminucin del potencial de celda con lo que se obtiene que la concentracin y el potencial sean directamente proporcionales debido al principio de Le Chtelier.

El potencial estndar de reaccin se utiliza para predecir la direccin y la espontaneidad de las reacciones redox.

Mediante una reaccin espontnea el in yoduro reduce al cobre para formar yoduro de cobre debido a la baja concentracin del de este .

8. Referencias

[1]. Tabla de potenciales estndar de electrodo.Disponible en:http://corinto.pucp.edu.pe (Consultada 9 de Junio de 2013)

[2]. Tesis doctoral de Shanti Bijani Chiquero.Disponible en:http://www.biblioteca.uma.es(Consultada 9 de Junio de 2013)

[3]. Chang,R ; Qumica, 4a ed; McGraw-Hill, Mxico, 1995; Capitulo 19.

[4]. Ion yoduro.Disponible en:http://www.eis.uva.es(Consultada 10 de Junio de 2013)