Electro Qui Mica

5/20/2018 Electro Qui Mica

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REACCIONES DE OXIDO REDUCCION

Yuranis Salas, Miguel Roa, Eduardo Escobar, Yeison Romero, Ral Rodelo

Universidad del AtlnticoFacultad de ingeniera Qumica

Iv semestre de ingeniera Qumica

Resumen

Durante la experiencia se realizaron diversas pruebas de las celdas galvnicas ovoltaicas, que son consideradas celdas electroqumicas en las cuales lasreacciones espontneas de xido-reduccin producen energa elctrica. En stas,las reacciones en los electrodos ocurren espontneamente y producen un flujo deelectrones desde el ctodo al nodo (a travs de un circuito externo conductor).

En esta prctica se llev a cabo la formacin de una celda galvnica, que consistien un electrodo de cobre el cual se encuentra sumergido en un recipiente quecontiene sulfato de cobre II, y otro electrodo de Zinc que est sumergido en otrorecipiente en una solucin de sulfato de zinc. En cada electrodo ocurre una de lassemireacciones: oxidacin o reduccin. Ambos recipientes se comunican con unpuente salino que permite mantener un flujo de iones de un recipiente a otro. Laconexin a un voltmetro evidencia la generacin de un potencial elctrico.

1. Introduccin

La electroqumica es la rama de laqumica que estudia la transformacinentre la energa elctrica y la energaqumica; los procesoselectroqumicos son reacciones redox(oxido reduccin) en donde la energaliberada por una reaccin espontanease convierte en electricidad o energaelctrica.

Reacciones de oxido reduccin

Las reacciones de oxido reduccin oredox se consideran como reaccionesde transferencia de electrones. Comoen el caso del oxido de calcio el cual

es un compuesto inico formado poriones Ca2+ y O2- en esta reaccindos tomos de Ca ceden otransfieren cuatro electrones a dostomos de O, este proceso sevisualiza en dos etapas una implica laperdida de cuatro electrones por lostomos de Ca y la otra la ganancia deelectrones por una molcula de O2.

El termino reaccin de oxidacin serefiere a la semireaccin que implicala perdida de electrones; mientrasque una reaccin de reduccin es


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una semireaccin que implica unaganancia de electrones de donde seinfiere que un agente reductor esaquel que dona electrones mientrasque aquel que acepta electrones se

conoce como agente oxidante.[1]

Celdas electroqumicas

Es un dispositivo experimental paragenerar electricidad mediante unareaccin redox consisteesencialmente en dos electrodos

sumergidos en la misma solucin deun electrolito o en dos soluciones deelectrolitos diferentes en reciprococontacto intimo a travs de un puenteelectroltico o puente salino en cualse emplea a menudo paraproporcionar un contacto inico entrelas dos medias celdas conelectrolitos diferentes, para evitar quelas soluciones se mezclen y

provoquen reacciones colaterales nodeseadas. [2]

Estos electrolitos tambin se lesconocen con el nombre de electrodoslos cuales son superficies en las quetienen lugar las semireacciones deoxidacin y reduccin y pueden o noparticipar en la reaccin este tipo deelectrodos sin reaccionar reciben el

nombre de electrodos inertes. Loselectrodos se identifican de lasiguiente manera: el ctodo el cualse define como el electrodo en dondeacurre la reduccin el cual actacomo una especie que ganaelectrones por el contario el nodo

es el electrodo donde ocurre laoxidacin al igual que un especie quepierde electrones.

Celda electroqumica

Las celdas electroqumicas seclasifican en dos tipos: celdasgalvnicas es una celdaelectroqumica cuya reaccin esespontanea y la energa elctricagenerada puede ser convertida entrabajo til para hacer funcionar otrosistema tales como la batera de un

auto mvil (acumulador de plomo)sute de energa al sistema deencendido para poner en marcha almotor y celdas electrolticas sonceldas electroqumicas noespontaneasen donde es necesarioque para que ocurra la reaccinaplicar una diferencia de potencialelctrico del exterior del sistemacomo por ejemplo cuando se pone a

cargar un acumulador de plomo.[3]

En este informe se aprender aconocer detalladamente las diferentesclases de reacciones electrolticas pormedio de la prctica o laexperimentacin, para ello pusimos a


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prueba distintas soluciones como loson la del Sulfato de Cobre y sulfatode zinc en reaccin con el Cobre y elzinc.

2. Mtodo Experimental.

Al iniciar la experiencia en un vasode precipitados de 250 ml. Seadiciono 200 ml de sulfato decobre (II), (CuSO4, 1M) mientrasque en otro vaso de precipitadose adiciono 200 ml de sulfato dezinc (II), (ZnSO4, 1M).

Posteriormente se coloco unpapel filtro humedecido con unadisolucin de cloruro de amonio(NH4Cl, 0.1 M) la cual sirvi comopuente salino entre las dosdisoluciones de CuSO4, 1M yZnSO4, 1M.

Continuamente se introdujo unalmina de cobre en la disolucinde sulfato de cobre y una lmina

de zinc en la de sulfato de zinc;determinar cual es el nodo ycual es el ctodo?

De forma seguida se utilizo un parde pinzas caimn y cables(caimanes), para conectar lalmina de Cu al borde comn deun voltmetro (corriente contina)y la del Zn al borde negativo. Paraas observar cuanto marca el

voltmetro para dicha pila. Luego se procedi a unir la pila

formada con otra pila con elobjetivo de determinar el voltajegenerado por la unin en serie dedichas pilas; posteriormente seutilizaron las dos pilas conectadas

en serie para encender unbombillo LED.

Continuamente se unieron tresbateras galvnicas en serie conel fin de determinar el voltaje

marcado. Al finalizar se realizo el

procedimiento de medir el voltajea un sistema formado por 4limones conectados en seriemediante la introduccin detornillos de acero y monedas decobre.

3. Resultados y Discusiones

Teniendo en cuenta lasobservaciones realizadas en estaprctica de laboratorio se efecta unabreve discusin sobre la reaccionesde oxido reduccin que ocurre en unacelda galvnica logrando as unamayor compresin los resultadosobtenidos a continuacin.

Al sumergir una lamina de zinc (Zn)en una disolucin de ZnSO4 y unalmina de cobre Cu en la disolucinde sulfato de cobre CuSO4 utilizandocomo puente salino una disolucinde cloruro de amonio NH4Cl se formauna celda galvnica tal como lo indicala imagen 1.

Imagen 1.celda galvnica de laminas de Cu y Znen disolucin de CuSO4 y ZnSO4


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Dicha celda se basa en el principio deoxido reduccin donde el electrodoque se oxida es el Zn el cual pierdeun par de electrones pasando de Zna Zn2+; mientras que el Cu sufre el

proceso de reduccin de Cu2- a Cu.De lo anterior se puede inferir que elZn acta como el nodo debido a quecede un par de electrones por lo queel ctodo en este proceso electrolticoes el Cu que se muestra como elaceptor de los electrones en el cualocurre la reduccin. Tal como lodemuestran las semireacciones

siguientes. ()

En donde cada semireaccin estacaracterizada por un potencial desemicelda o de electrodo que

presenta la tendencia del metal aoxidarse o reducirse. En la disolucinlos electrones son transportados porlos iones, movindose los ionesnegativos hacia el electrodo negativoy los positivos hacia el electrodopositivo. Generando as la fuerzaelectromotriz de una celda galvnicaque se define como:

Donde ECATODO y EANODO son lospotenciales en los terminales de loselectrodos Cu y Zn ambos medidoscon el mismo patrn. La celda sesuele representar por

De forma experimental se logrocalcular el potencial de la celdagalvnica anterior utilizando un

multmetro obteniendo una fuerzaelectromotriz con un valor de 1.01 Vtal como lo indica la imagen 2.

Imagen 2. Medida del potencial elctrico generadopor las celdas electroqumicas.

Al proseguir con la experiencia seconectaron dos celdas galvnicas enserie con el fin de encender un LED.Los cuales son componenteselctricos semiconductores (diodos)que son capaces de emitir luz al seratravesados por una corrientepequea. Las siglas LED provienendel acrnimo en ingls Light EmittingDiode o lo que traducido al espaolsera Diodo Emisor de Luz.

Los LED

a diferencia de los emisores de luztradicionales, poseen polaridad(siendo el nodo el terminal positivola pata ms larga y el ctodo elterminal negativo la pata mas corta)por lo que funcionan nicamente alser polarizados en directo. Dichos


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diodos operan con un voltajerelativamente bajo, entre 1 y 4 volts.Imagen 3[4]

Imagen 3.LED Diodo Emisor de Luz.

Para encender el LED se conecto auna celda galvnica en serie la cualgenero un voltaje de 2.08 V con elcual se puede encender un LED decolor rojo dicho proceso se realizo alunir el electrodo de Zn a la pata mas

larga del diodo mientras que elelectrodo de Cu se uni a la patamas pequea; en donde laelectroluminiscencia se dio cuandose Produjeron estimulados por undiferencial de voltaje en directo sobresus terminales, en donde las cargaselctricas negativas y las cargaselctricas positivas son atradas a lazona de conjuncin donde se

combinan entre s, dando comoresultado la liberacin de energa enforma de fotones como se ilustra enimagen 4.

Imagen 4. Unin de 2 celdas galvnicas paraencender un LED.

Al realizar la unin de tres celdasgalvnicas en serie se logro

determinar un potencial de celda de3.01 volts tal como lo indica laimagen 5. Con el cual es posibleencender un LED de color verdebrillante que permite voltaje mnimode 3.

Imagen 5. Potencial generado por la unin de 3celdas galvnicas.

Al concluir la prctica de laboratoriose tomaron cuatro limones a loscuales se les introdujeron tornillogalvanizados con zinc en el cualocurre un proceso de oxidacin ymonedas de cobre en donde ocurre lareduccin, Estos dos objetos


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funcionan como electrodos, causandouna reaccin electroqumica mediadapor el jugo de limn que acta comoelectrolito, o sea que permite el pasode los electrones de un electrodo a

otro generando una pequeacantidad de corriente elctrica con unpotencial de 3.6 V tal como lo indicala imagen 6.

Imagen 6.celda hecha con limones utilizandocomo electrodos monedas de cobre y tornillosgalvanizados con zinc.

Preguntas

I. Escribe las reacciones parcialesde los electrodos y la polaridad delos mismos.R//Las reacciones parciales de loselectrodos son las siguientes:

Reaccin global

El potencial estndar de la pila esigual al valor de E0 ms positivo

menos el valor ms negativo (omenos positivo) del otro E0. Elpotencial estndar de la reaccines entonces 0,34 V - (-0,76 V) =1,10 V. La polaridad de la celda se

determina como sigue: el zincmetlico es reducido msfuertemente que el cobre metlicocomo muestra el hecho de que elpotencial estndar de reduccinpara el zinc sea ms negativo quepara el cobre. As, el zinc metlicocede electrones a los iones Cu2+yquedan cargados positivamente.

II. En que direccin se mueven losiones en el puente salino?R//Dentro del puente salino, losiones cloruro emigran hacia dentrodel compartimento de zinc, y losiones de amonio se mueven endireccin opuesta, es decir, haciael compartimiento de cobre. En elcompartimiento de cobre los iones

de cobre se mueven hacia elelectrodo de cobre donde sonreducidos y los iones sulfato semueven alejndose del electrodohacia la solucin.

III. Que elementos actan comoagentes reductores en losexperimentos realizados.R//

Un agente reductor, osimplemente reductor, cedeelectrones a otra sustancia y eneste proceso se oxida. En elexperimento realizado la oxidacinse produce en le nodo donde elelemento que se oxida es el zinc ypor tal razn es el agentereductor.


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IV. A que se le llama potencial deuna pila?R//El potencial elctrico estndarde una pila puede determinarseutilizando una tabla de

potenciales estndar para los dossemi pilas involucradas. Laprimera etapa es identificar losdos metales que reaccionan en lacelda. A continuacin se mira elpotencial estndar de electrodo,E0, en V, para cada una de las dossemireacciones. El potencialestndar de la pila es igual al valor

de E0

ms positivo menos el valorms negativo (o menos positivo)del otro E0.

V. Investiga la diferencia entregalvanoplastia, galvanostegia ygalvanizado.

R// De una manera general los 3trminos hacen referencia al

recubrimiento de un metal conotro con el objetivo de proteger lasuperficie del metal en el cual sellevara a cabo dicho proceso. ElGalvanizado o Galvanizacin,puede realizarse porCalentamiento (Proceso atemperaturas altas) oElectrolticamente (Electrolisis),este ltimo es conocido como

Galvanoplastia o Galvanostegiaque en la literatura, ambostrminos hacen referencia a unmismo proceso. La diferencia escomo cada uno se realiza; dichode esta forma el galvanizado noes ms que un conjunto de los

diversos procesos que se puedenllevar a cabo para proteger unmetal con otro. El galvanizadoms comn es aquel que consisteen la deposicin de Zinc (Zn)

fundido en Hierro (Fe) a 450C detemperatura, siendo el Zinc msoxidable y menos noble que elHierro genera un xido estableque protege al Hierro de laoxidacin al exponerse al oxgenodel aire, la humedad o lacontaminacin ambiental. Esteproceso no consiste slo en la

deposicin de Zinc sino queconsta de una unin qumica delZinc a la base del acero(Reaccin Qumica Metalrgica);por otro lado, La galvanizacinelectroltica, como su nombre loindica, requiere de electricidadpara depositar un metal en otro,tal que se emite una corriente delas placas sumergidas hacia el

objeto que se desea galvanizar(ctodo) a travs de disolucionesde sales metlicas (electrlisis),los nodos son del mismo metalque en las disoluciones y sedisuelven en ellas lentamente.Los iones del metal son atradospor los objetos que se galvanizany se despojan de sus cargaselctricas y se depositan sobresus superficies.

VI. Se construye una pila con loselectrodos Cu2+/Cu y Al3+/Al, unidomediante un puente salino decloruro de amonio. Escribe lasreacciones parciales en los


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electrodos. Haz un esquema de lapila, indicando todos loselementos necesarios para sufuncionamiento. En qu direccincirculan los e-? Cules son los

agentes oxidantes y reductores?

R//Los materiales que seran tilespara la construccin de esta pilaexperimental de Cu2+/Cu y Al3+/Aldeben ser:

2 Vasos de Precipitado de 300mL,1 Tubo en forma de U o en sudefecto Papel Filtro, Algodn,

Cables con Pinzas (Caimanes), 1Multmetro o Voltmetro.

Reactivos que se considerarannecesarios seran los siguientes:

Laminas Pulidas de Cobre yAluminio, Disoluciones de Sulfatode Aluminio 1M (Al2(SO4)3), Sulfatode Cobre 1M (CuSO4) y NH4Cl

0.1M para el puente salino.

Esq uem a 1. Pila a Mod o Grfico .

Una forma diferente de representarla construccin de la pila demanera escrita sera:Al(s)lAl3+llCu2+lCu(s) , donde ladoble lnea vertical representa el

lmite entre el comportamiento dedos semicelda (puente salino) y laslneas verticales individuales ellimite entre dos fases.

En las pilas, por teora, se puedesaber que los potenciales estndarde electrodo (E) miden latendencia relativa a la reduccin.En este caso, las dos

semireacciones de reduccinposibles son:

Cu2++ 2e- = Cu , E = 0.34V

Al3+= Al + 3e- , E = -1.66V.

Puesto que el mayor potencial dereduccin corresponde al Cobre,este ser quien sufrir la reduccin

y por ende, el Aluminio ser quientendr la oxidacin. De tal maneraque:

Polo Negativo (nodo): (Al3+/Al),actuar como Agente Reductor.

Polo Positivo (Ctodo): (Cu2+/Cu),actuar como Agente Oxidante.

La reaccin general que ocurre en

la pila experimental ser:

(Cu2+ + 2e- Cu, E= 0.34V)*32*(Al3+ Al + 3e- , E= 1.66V)

_____________________________


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3Cu2++ 2Al + 6e- 3Cu + 2Al3++6e- , E = (1.02 3.32) V.

Reaccin Global:

3Cu

2+

+ 2Al 3Cu + 2Al

3+

E = -2.30V, Reaccin de oxido-reduccin no espontnea.

Ahora bien, el flujo de electronescircular del polo negativo (Al3+/Al)al polo positivo (Cu2+/Cu), ya queel flujo debe ir del nodo haciactodo.

VII. Cmo es que la lmpara seenciende? A qu se debe queesto suceda?

R//La bombilla de una lmpara ytodas de manera general,consisten en un globo de cristalque en su interior contiene unfilamento de material llamadoWolframio, el cual al ser

atravesado por corriente elctricaemite una luz blanca y difusa. Elinterior del bombillo est al vaco(Lleno de un gas inerte), para queel filamento al calentarse por laluz que provoca no estalle, yaque la temperatura que alcanzaes muy alta. La electricidad llegaa la bombilla a travs delcasquillo metlico, en el que se

encuentran las conexioneselctricas.

Qumicamente esto sucededebido a la corriente que fluyehacia la bombilla el cual estconstituido por un flujo de

electrones desde una fuente (quepodra tratarse de untomacorrientes o una pila/batera)de donde proviene dicho flujo queviaja por un conductor (alambres

conductores) creando as uncircuito completo. Es deconsiderar que en dichos circuitosest ocurriendo una reaccinqumica Redox que da lugar alflujo de electrones que como untrabajo pueden encender unalmpara u otro dispositivo.

4. Conclusiones

Se estudi que la transferenciade electrones, (de lasemireaccin de oxidacin a lasemireaccin de reduccin)genera una corriente elctrica(flujo de electrones) y por lo tantoun potencial elctrico.

Se determin que en lasemicelda andica (Zinc) ocurrenlas oxidaciones, mientras que enla semicelda catdica (Cobre)ocurren las reducciones.

Se midi el potencial elctricopara una sola batera de celdasgalvnicas (1.01 volt), Para dosbateras o dispositivos (2.08 volt)

y para tres bateras (3.01 volt). Se cre una celda voltaica que

funciona como un dispositivopara generar energa elctrica, apartir de reacciones espontaneasde oxido-reduccin.


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5. Bibliografa

[1]. Raymond Chang, Qumicageneral, McGraw Hill, 2002.

[2]. Alfonso Clavijo Daz,Fundamentos de qumica analtica:equilibrio inico y anlisis qumico,unibiblos, 2002.

[3]

Raymond E. Davis, Qumica/Chemistry, cengage learning editorsS.A, 2008.

[4]

http://www.ledsinternational.com/es/que-son-los-leds/

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