1 CELDAS ELECTROQUIMICAS POTENCIAL DE ELECTRODO Bonilla Stefanny, Lozada Jesica, Molina Angelo. Departamento de Qumica, Facultad de Ciencias, Universidad del Valle, Cali, Abril 2011. RESUMEN En el laboratorio se construy una celda electroqumica en donde se utiliz las soluciones ZnSO4yCuSO4,paraconocerelefectodelcambiodelasconcentracionesdelas especiesinicasenlaceldasobreelvalordesupotencial.Paralograrestosemidiel potencialinicialdeceldacadavezqueserealizuncambioenlaconcentracinde CuSO4,luegosedeterminelpotencialestndardeceldacuandosevaridichas concentraciones, a travs de la ecuacin de Nernst y despus se procedi a sacar el error relativo de cada una; el potencial experimental vario entre 1.104 V en 1.0 M y 0.960 V en 0.0001 M, y el potencial terico vario entre 1.10 V en 1.0 M y 0.982 V en 0.0001 M,y el errorrelativodelospotencialesexperimentalesdelaceldaconlospotencialestericos fue entre0.34 % y 2.98 % . PALABRASCLAVES:celdaselectroqumicas,ecuacindeNernst,potencialestndar, concentracin, electrodo, ctodo nodo, oxidacin, reduccin, voltaje. INTRODUCCIN La energa elctrica es una de las formas de energa de mayor importancia para la vidacontempornea,undasinellaes inconcebibleparalasociedadactual.Es asquetodaslasreasdelaciencia dedicanesfuerzosenelestudiodeella, parauncasoenconcretolaramadela qumicaqueestudialarelacinentrela energaqumicaylaelctricaesla electroqumica.1 Todoslosprocesoselectroqumicos estnbasadosenreaccionesdeoxido reduccinendondelaenergaliberada porunareaccinespontanease transformaenelectricidad,esteesel principioenporelcualseconstruyen dispositivosquepermitanusaresta energa,loscualessonllamadosCeldas electroqumicasysondevital importanciaindustrial(pilas,bateras, alternadores)cabedestacarquelas reaccionesqueproducenunpotencial elctricosonaquellaqueson espontaneasestecomportamientofue expresadoenformamatemticaporel fsico-qumicoalemnWaltherNernst como1: E E RTnFx In Q Lacualauntienegranrelevanciaenel estudio de las celdas por ello la intencin delaprcticaesquelosqumicos,ya seaporinvestigacinopor industrializacintenganpleno conocimientodelaconstruccindeuna Celdayentiendanperfectamenteel funcionamiento de estas.2 METODOLOGIA EXPERIMENTAL En el laboratorio se construyo una Celda enlacuallassolucionesdeZnSO4(ac)y CuSO4(ac)puestasenlosvasosse encontrabanaunaconcentracininicial de1M,yeltrozodezincycobrese lijaronantesdeintroducirlosenlas soluciones,bajoestascondicionesse procedi a tomar el potencial elctrico de lacelda,paraposteriormentevariarla 2 solucindeCuSO41Maotra,con concentracinde0.1Mtomandode nuevo elpotencialdela nuevacelda,se repitielprocedimientoconlasolucin deCuSO4enlasconcentracionesde 0.01M, 0.001M y 0.0001M; el montaje de la celda se muestra en la figura 1.3 Figura 1. celda electroqumica. LassolucionesdeZnSO4(ac)yCuSO4 (ac) puestasenlosvasosseencontrabana unaconcentracininicialde1M,yel trozodezincycobreselijaronantesde introducirlosenlassoluciones,bajo estas condiciones se procedi a tomar el potencialelctricodelacelda,para posteriormentevariarlasolucinde CuSO41Maotra,conconcentracinde 0.1Mtomandodenuevoelpotencialde lanuevacelda,serepitiel procedimientoconlasolucindeCuSO4 enlasconcentracionesde0.01M, 0.001M y 0.0001M.3 PorltimoseintrodujolalminadeCu en la solucin de ZnSO4 1M y la de Zn en lasolucindeCuSO41Mparaobservar lo que suceda. RESUSLTADOS Y DISCUSIN Se midi el potencial de la celda formada porunasolucindeCuSO4 (ac)yZnSO4 (ac)a una temperatura de 24 C O 297Kyunapresinde1,004Atmcorrespondiente a la de Cali4, se vari las concentracionesdelCuSO4(ac) enla celdaylosdatosseregistraronenla tabla 1.Tabla1.ConcentracionesdeCuSO4(ac)Vs potencial de la celda hallados experimentalmente. Concentraciones deCuSO4 (ac) (M) Potencial experimental (V) 1,01,104 0,11,082 0,011,062 0,0011,041 0,00010,960 Lareaccinqueocurreenlaceldaysu potencialestndaracondiciones normales es la siguiente: Zn(s)0 Zn (ac)2+ + 2e- E = 0.76 V Cu (ac)2+ + 2e- Cu(s)0E = 0.34 V Cu (ac)2+ + Zn(s)0 Cu(s)0+Zn (ac)2+E =1.10 V Esta es una reaccin de oxido reduccin enlacualhaytransferenciaelectrnica entrelosreactivos,dandolugaraun cambioenlosestadosdeoxidacinde los mismos con respecto a los productos donde el Zn acta como agente reductor debidoaqueaumentasuestadodeoxidacin es decir, se oxida ya que pasa deZn0 aZn 2+yelcobreactacomo agenteoxidante debido aquedisminuye suestadodeoxidacionesdecir,se reduce ya que pasa de Cu 2+ a Cu 0.5 El potencial medido es el trabajo mximo que la celda puede realizar o la cantidad deenergaelctricaquesepuedetener de la reaccinel trabajo de la celda (W) est dado por la ecuacin 1 donde (n) es elnumerodemolesqueparticipan enla reaccin,(F) es la constante de Faraday lacuales96500J/V.moly(E)esel potencial medido de la celda.1 Ecuacin 1. Ecuacin del trabajo de la celda W = -nFE 3 Portermodinmicasesabequela energalibredeGibbs(G)definela energadisponibledeunareaccinpara realizaruntrabajoentonceslaenerga libre es igual al trabajo de la celda como se muestra en la ecuacin 2.1 Ecuacin 2. Relacin entre G y W de la celda. G = -nFE ComonyFsonpositivosGser negativosielvalordeEespositivo tambin,si Gesnegativoindica queel sistema realiza un trabajo sobre el medio y la reaccin es espontanea.1 Para determinar el potencial estndar de laceldacuandosevaranlas concentraciones se usla ecuacin 3.1

Ecuacin 3. Ecuacin de Nernst. E E RTnFx In Q DondeEeselpotencialcorregidodel electrodoEeselpotencialestndardelaceldaacondicionesnormalesE=1.10V,Reslaconstantedelos gases R= 8,314 J / K mol, la temperatura T=297K,neselnmerodeespecies queintervienenenlaceldan=2,Fes unaconstantedefaradayF=96500 J/VmolyQsonlasconcentracionesde losproductosqueintervienenenla reaccindivididolasconcentracionesde losreactivosqueintervienenenla reaccin1. Al reemplazar los valores deR, Ty F la ecuacin se trasforma en: E E vn x In Q En el experimento Q es: QCu Zn Cu Zn

Pero como el cobre y el zinc slidos nos intervienenenlareaccinyaqueson especiespuras(muyestables)yno varandurantelareaccin.1Qsolo dependedelasconcentracionesde Zn2+/Cu2+ynes2demodoquela ecuacin se transforma en: E v v x In ZnCu El potencial estndar de la celda para 0.1 MdeCuSO4 (ac)y1.0MZnSO4 (ac) segn la anterior ecuacin es: E v v x In v x In v1.070Veselpotencialdelacelda tericocuandolaconcentracinde CuSO4 (ac) esde0.1Mparaanalizarel porcentajedeerror(Ep)delpotencialde laceldamedidoexperimentalmentecon respecto al potencialterico se utilizo la ecuacin 4.6 Ecuacin 4. Error porcentual. Ep = XConelvalortericoencontrado anteriormenteyelvalorexperimentalde latabla1secalculosurespectivoerror porcentual as: Ep= X AcadaunadelasdiferentesconcentracionesdeCuSO4 (ac)se determino el potencial de la celda terico (Et)yluegosecomparoconelpotencial experimental (Ex) para determinar el error porcentualcomosehizoanteriormente los datos se muestran en la tabla 2. 4 Tabla2.Potencialtericosegnlavariacinde concentraciones y error porcentual. [Cu2+]M[Zn2+]M(Ex)v(Et ) vEp % 1.01.01.1041.1000.36 0.11.01.0821.0701.12 0.011.01.0621.0412.02 0.0011.01.0411.0122.87 0.00011.00.9600.9822.25 Delatabla2seobservqueamedida quedisminuyelaconcentracintambin disminuyeelpotencialestndardela celdatantoenlosencontrados experimentalmentecomolostericos, debido a que al haber menor cantidad de molculasdeCuhaymenorintercambio electrnicoporendeelpotencial disminuye por principio de Le Chtelier al variarestaconcentracinseest aplicando una tensin externa que afecta el cociente de reaccin1. Elerrorporcentualdelpotencialdela celda vario desde el 0.36 % hasta 2.87 % loscualessonmuypequeos comparadasconelvalordelacelda terico, este error puede ser sistemticos relacionadoconlaincertidumbrede escaladelvoltmetrolacuales1%es decir (0.01) V7, tambin hay errores por elaumentoenlaresistenciaenlos circuitoscuandonohaybuencontacto elctrico.Loscambiosdetemperatura causanvariacionesenlasresistenciasy lasfuentesdevoltajecomunes.Las corrientes inducidas en la lnea de 110-V tambin pueden alterar el funcionamiento delosaparatoselectrnicos8;errores personalesdebidoaquesepudotomar lamedidaantesdelqueelvoltmetrose estabilizaraademsotrofactorque intervieneenelerrordelamedidaes queelvalordebehacerseacondiciones normalesyenlaprcticasetrabajoa 24Cyunpocomsdeunaatmosfera debidoaqueenCalilapresin atmosfrica es de1,004 Atm4. Para mirar el comportamiento grafico del potencialdelaceldasegraficopor mediodelaecuacindeNernstdeeste modo se expreso de lanera lineal as: E RTnFx In Q E Y =m X + B Dondeyeselpotencialdelacelda medido(E),lapendiente(m)esla constantedelosgases(R)porla temperatura(T)divididoentreelnumero demolesqueintervienenenlareaccin (n)por la constante de Faraday (F), X esInQyelpotencialdelaceldaestndar (E0)eselinterceptob;deestala ecuacin que se desea graficar es: E v x In ZnCu E En la tabla 3 se muestra la relacin entre X (In Q) y el potencial de la celda terico y experimental correspondientes a (Y).Tabla 3. In Q vs Potenciales de la celda.In [Zn] / [Cu]= QP. TericoP. experimental 01,1041,104 2,30258511,071,082 4,60517021,0411,062 6,90775531,0121,041 9,21034040,9820,96 En la grafica 1 se muestra la relacin de potencialdelacelda(E)versusInQde los datos en la tabla 3.

Grafica 1. In Q vs Potencial experimental. Despusdelinealizarlaanteriorgrafica 0.940.960.9811.021.041.061.081.10 2 4 6 8POTENCIAL (V)In QPOTENCIAL vs In QP . Teorico P. experimental 5 pormediodelprogramadeExcely mnimoscuadradossecalculolas pendientes(m)delpotencialtericola cualfuemT=-0,0128conuna incertidumbremT=0,0002yla pendientedelpotencialexperimental correspondiamE=-0,0143conuna incertidumbremE=0,0030,losvalores negativosindicanquelagraficaes decreciente,esdecirqueamedidaque laconcentracindisminuyeocurrelo mismo con el potencial.Segnlaecuacin3yloestablecido anteriormentelapendientecorresponde a porlocuallaspendientes calculadas anteriormentedebensermuy cercanasa0.0128,siseobservala pendientedelvalortericocorresponde almismovalorporlotantosiexisteuna relacinlinealcomosemenciono anteriormente,encambiolapendiente delvalorexperimentalescercanoal valor real de la pendiente esto se debe a la dispersin de los datos depotencial y elerrorporcentualcalculado anteriormenteparacompararelerror entreelvalorrealdelapendienteyla experimental se calculo el siguiente error porcentual 6: Ep=X Al comparar las pendientes fcilmente se puedenotarqueexisteunadesviacin enlaexperimental,lacualescausada porladispersindelosdatos,esdecir que los valores de potencial experimental sealejandelcomportamientoideal,esto ocurreporqueenellaboratoriosehan tomadoestasmedidasacondiciones diferentesdelasestndar,locualcausa queunvalorcambieyaseadeforma positiva o negativa, adems se tiene que tenerencuentalainexperienciadelos integrantesdelgrupoalmanejarel voltmetroelcualesunodelosfactores deerror,ademsdequeesimposible tomarunamedidaexactayaqueel potencialtambinvariaporeltiempoen elquelaslaminasestnsumergidas (desgastedelelectrodo).Teniendoen cuenta estos factores se puede decir que es comprensible el error. Cuando se introdujo la lamina de zinc en lasolucindeCuSO4esta inmediatamentesecubrideunacapa decolornegro,lacualeracobre metlico; esto ocurre porque los cationes deCu2+ presentesenlasolucin reaccionaconelZnsolidotransfiriendo los electrones del Zn al Cu al ocurrir esto elcobresesolidificayformalacapa negraquecubrealZndebidoa atracciones electrostticas y al constante intercambioelctricoentrelasdos especies,debidoaqueelzincesmas reactivo que el cobre este lo desplaza en lasolucinyelcobreseprecipitapor estaraznesunareaccinespontanea; la reaccin que ocurre9: Zn(s) + CuSO4(ac) Cu(s)+ ZnSO4(ac)

Cuandoseintroducelalaminadecobre dentro de la solucin de ZnSO4 no ocurre ningunareaccindebidoaqueelcobre estienemenorreactividadqueelzincy nolodesplazaestaesunareaccin espontaneaensentidoinverso,esdecir paraqueocurrahayqueaplicarleun potencial electrico9. PREGUNTAS 1. segn la ecuacin: 6 E E n In Sisehubieracambiadolas concentracionesde1.0Ma0.5Mel potencial obtenido an se hubiera podido considerarcomoestndarporelhecho dequetantolosproductoscomolos reactivosaltener0.5Mde concentracin,alreemplazarlosenla ecuacinanteriorsudivisinseria1yel log1escero,entoncesalmultiplicarel cero por 0.059/n seria cero y por lo tanto elpotencialobtenidosehubiera estimadocomoestndar,comose muestra a continuacin: E E n In E E n In E E n E E 2.UtilizandoelEdelZnquees0.76V se realiz la siguiente ecuacin E E Zn Zn E Cu Cu v vE Cu Cu v v E Cu Cu v E Cu Cu ERR0R v v v ERR0R Comparandoelpotencialrealconelde la literatura, se pudo apreciar un error del 0.58%; esto se debe en primera instancia aunerrorenelmanejodela instrumentacin, en este caso al mal uso delvoltmetroporpartedelos integrantespudohaberinfluidoenel resultadodelprocedimiento,otroerror pudohabersidoqueelvoltmetro estuvieramalcalibrado,cambiandoasel potencial de la celda; el hecho de que elpotencialsehayatomadoauna temperaturade24Cconunapresin atmosfricade1,004atminfluyoenlos resultados obtenidos ya que los datos de laliteraturafuerontomadosauna temperatura de 25C con una presin de 1 atm.1 3. Entonces, sabiendo que los elementos quemsfcilmenteseoxidansonlos quepresentanmayorcarctermetlico, sepuededecirqueentreelementos metlicosynometlicos,losprimeros sonmejoresagentesreductoresquelos segundos.Tambin,unmetalalcalinoo alcalino-terreotienenungrancarcter metlico,conloquesepuedeponeralencabezandolalista.8Elmejoragente reductorentrelosmetalescobre,plomo, zincycadmioeselzincdebidoaque respondeaunaprdidadeelectronesy elpeoragentereductoreselcobre porqueeselmstiendeareducirse debidoaqueesmspropensoacaptar uno o varios electrones. Losagentesreductoresseoxidan, mientrasquelosagentesoxidantesse reducen;entoneslosmetalestiendena oxidarsemientrasquelosnometales tiendenareducirse,deestadeduccin losmetalessonagentesreductorespor excelencia dado que tienen facilidad para perder electrones.8 CONCLUSIONES Todaslasreaccioneselectroqumicas implicanlatransferenciadeelectronesy por lo tanto, son reacciones redox. 7 Enunareaccinelectroqumicaal disminuir la concentracin original de una delassustanciasqueintervienen,se producedeigualmanerauna disminucindelpotencialdecelda original. Elpotencialestndardereaccinse utilizaparapredecirladireccinyla espontaneidad de las reacciones redox. REFERENCIAS 1.CHANG,Raymond.Qumica.Novena edicin, Prentice hall. Mxico, 2007. Pg. 764-785. 2.BurgosY.Practica:PilasGalvnicas. UniversidadCentraldelasVillas. http://www.fq.uh.cu/dpto/qf/uclv/infoLab/practics/practicas/Pilaselectroquimicas/teoria.htm. 17 de mayo de 2011. 3.Profesoresdeldepartamentode Qumica.Guas2011Laboratoriode Qumica2.Cali,ValledelCauca. EditorialdelaUniversidaddelValle. 2011. Pg. 36-39. 4.TIEMPOYHORA.COM.presinenCali. http://tiempoyhora.com/Am%C3%A9rica-del-Sur/Colombia/Valle-Del-Cauca-Colombia/Cali. 17 de mayo de 2011. 5.Wikipedia.Oxidacinyreduccin. http://es.wikipedia.org/wiki/Reducci%C3%B3n-oxidaci%C3%B3n.19demayode 2011. 6.PeaD,EscobarO.Experimentacin fsicaIRevisinyModificacin 2011.UniversidaddelValle,Cali2011.8-14 7.Sanpedrotampico.Medicioneselctricas. www.sanpedrotampico.com/itcm/.../MedicionesProblemas.docMicrosoft.21de mayo de 2011. 8.INTRODUCCINALAQUMICA ANALTICA.(QA).Erroresanaliticos.www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/.../r10239.DOC-.21demayode 2011. 9.WhitenW.K. Qumica general. Tercera edicin. BEMEX. Mxico. 1996. 145-146