Electro Quim 3

Download Electro Quim 3

Post on 22-Oct-2015

22 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

<p>lAB. n 6 electroquimica y corrosion</p> <p>ELECTROQUIMICA Y CORROSIONA).- OBJETIVOS: Estudio de la conversin de la energa qumica y viceversa. Estudio sobre corrosin. Comprender el proceso de la generacin de energa elctrica, utilizando sustancias qumicas.B).- FUNDAMENTO TEORICO: Electroqumica es una rama de la qumica que estudia la transformacin entre la energa elctrica y la energa qumica. [</p> <p>]En otras palabras, las reacciones qumicas que se dan en la interface 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 una diferencia de potencial aplicada externamente, se hace referencia a una electrlisis. En cambio, si la cada de potencial elctrico, es creada como consecuencia de la reaccin qumica, se conoce como un "acumulador de energa elctrica", tambin llamado batera o celda galvnica. Celdas Electroqumicas La Celda Electroqumica es el dispositivo utilizado para la descomposicin mediante corriente elctrica de sustancias ionizadas denominadas electrolitos. Tambin se conoce como celda galvnica o voltaica, en honor de los cientficos Luigi Galvani y Alessandro Volta, quienes fabricaron las primeras de este tipo a fines del S. XVIII. Esquema de la Pila de Daniell. El puente salino (representado por el tubo en forma de U invertida) contiene una disolucin de KCl permitiendo la interaccin elctrica entre el nodo y el ctodo. Las puntas de ste deben estar tapadas con pedazos de algodn para evitar que la disolucin de KCl contamine los otros contenedores.Las celdas electroqumicas tienen dos electrodos: El nodo y el Ctodo. El nodo se define como el electrodo en el que se lleva a cabo la oxidacin y el ctodo donde se efecta la reduccin. Los electrodos pueden ser de cualquier material que sea un conductor elctrico, como metales, semiconductores. Tambin se usa mucho el grafito debido a su conductividad y a su bajo costo. Para completar el circuito elctrico, las disoluciones se conectan mediante un conductor por el que pasan los cationes y aniones, conocido como puente de sal (o como puente salino). Los cationes disueltos se mueven hacia el Ctodo y los aniones hacia el nodo. La corriente elctrica fluye del nodo al ctodo por que existe una diferencia de potencial elctrico entre ambos electrolitos. Esa diferencia se mide con la ayuda de un voltmetro y es conocida como el voltaje de la celda. Tambin se denomina fuerza electromotriz (fem) o bien como potencial de celda. En una celda galvnica donde el nodo sea una barra de Cinc y el ctodo sea una barra de Cobre, ambas sumergidas en soluciones de sus respectivos sulfatos, y unidas por un puente salino se la conoce como Pila de Daniell. Sus semi-reacciones son estas:</p> <p>La notacin convencional para representar las celdas electroqumicas es un diagrama de celda. En condiciones normales, para la pila de Daniell el diagrama sera:</p> <p>La lnea vertical representa el lmite entre dos fases. La doble lnea vertical representa el puente salino. Por convencin, el nodo se escribe primero a la izquierda y los dems componentes aparecen en el mismo orden en que se encuentran al moverse de nodo a ctodo. Potenciales estndar de reduccin:Esquema del EEH.1. Electrodo de Platino 2. Gas Hidrgeno 3. Solucin de HCl (1M) 4. Sifn para prevenir la contaminacin de oxgeno 5. Conector donde el segundo elemento de la celda debera ser conectadaEs posible calcular el potencial estndar de reduccin de una celda determinada comparando con un electrodo de referencia. Bsicamente el clculo relaciona el potencial de reduccin con la redox. Arbitrariamente se le asign el valor cero al electrodo de Hidrgeno, cuando se encuentra en condiciones estndar. En dicho electrodo ocurre la siguiente reaccin:La reaccin se lleva a cabo burbujeando gas hidrgeno en una disolucin de HCl, sobre un electrodo de Platino. Las condiciones de este experimento se denominan estndar cuando la presin de los gases involucrados es igual a 1 Atm., trabajando a una temperatura de 25C y las concentraciones de las disoluciones involucradas son igual a 1M. En este caso se denota que:</p> <p>Este electrodo tambin se conoce como electrodo estndar de hidrgeno (EEH) y puede ser conectado a otra celda electroqumica de inters para calcular su potencial de reduccin. La polaridad del potencial estndar del electrodo determina si el mismo se est reduciendo u oxidando con respecto al EEH. Cuando se efecta la medicin del potencial de la celda: Si el electrodo tiene un potencial positivo significa que se est reduciendo indicando que el EEH est actuando como el nodo en la celda (Por ejemplo: el Cu en disolucin acuosa de CuSO4 con un potencial estndar de reduccin de 0,337V) Si el electrodo tiene un potencial Negativo significa que se est oxidando indicando que el EEH est actuando como el Ctodo en la celda (Por ejemplo: el Zn en disolucin acuosa de ZnSO4 con un potencial estndar de reduccin de -0,763 V)Sin embargo, las reacciones son reversbles y el rol de un electrodo en una celda electroqumica en particular depende de la relacin del potencial de reduccin de ambos electrodos. El potencial estndar de una celda puede ser determinado buscando en una tabla de potenciales de reduccin para los electrodos involucrados en la experiencia y se calcula aplicando la siguiente frmula:[1]Por ejemplo, para calcular el potencial estndar del electrodo de Cobre:</p> <p>En condiciones estndar la fem (medida con la ayuda de un multmetro) es 0,34 V (este valor representa el potencial de reduccin de la celda) y por definicin, el potencial del EEH es cero. Entonces el potencial de la celda se calcula resolviendo la siguiente ecuacin:</p> <p>El potencial de oxidacin de una celda tiene el mismo modulo que el de reduccin pero con signo contrario. Cambios estequiometricos en la ecuacin de la celda no afectaran el valor del por que el potencial estndar de reduccin es una propiedad intensiva.Espontaneidad de una reaccin redox Relacionando el con algunas cantidades termodinmicas permiten saber la espontaneidad de un proceso determinado. En una celda electroqumica toda la energa qumica se transforma en energa elctrica. La carga elctrica total que pasa a travs de la celda es calculada por: Siendo la Constante de Faraday y el nmero de moles. Como la fem es el potencial mximo de la celda y el trabajo elctrico es la cantidad mxima de trabajo () que se puede hacer, se llega a la siguiente igualdad:</p> <p>La energa libre de Gibbs es la energa libre para hacer trabajo, eso significa que el cambio de energa libre representa la cantidad mxima de trabajo til que se obtiene de la reaccin: </p> <p>Si es negativo significa que hay energa libre y por lo tanto la reaccin es espontanea. Para que ocurra eso el debe ser positivo. Caso contrario la reaccin no procede. Para valores negativos de muy prximos a cero es posible que la reaccin tampoco proceda debido a factores secundarios, como por ejemplo el fenmeno de sobretensin. Una reaccin espontnea puede ser utilizada para generar energa elctrica, no es nada ms ni nada menos que una Pila de combustible. Mientras que a una reaccin no espontnea se le debe aplicar un suficiente potencial elctrico para que la misma se lleve a cabo. Este fenmeno es conocido como Electrlisis. En una celda electroqumica, la relaccin entre la Constante de equilibrio, K, y la energa libre de Gibbs se puede expresar de la siguiente manera:</p> <p>Despejando la se obtiene:</p> <p>Aplicando el logaritmo K en base 10 y suponiendo que la reaccin se lleva a cabo a T=298K (25C), finalmente llegamos a la siguiente expresin:</p> <p> El efecto de la concentracin en la fem de la celda:Existe una relacin entre matemtica entre la fem de una celda y la concentracin de reactivos y productos de una reaccin redox en condiciones de estado no estndar. Es la llamada ecuacin de Nernst:</p> <p> A 298K: E = E - 0.0059 x lnQ n A cualquier temperatura: E = E - (RT/nF) x lnQDonde:E: fem de la celda a condiciones estndar.E: potencial estndar de la celda.n: numero de electrones transferidos en la reaccin redox.Q: representa el cociente de reaccin. Corrosin :La corrosin es definida como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroqumico por su entorno. De manera ms general puede entenderse como la tendencia general que tienen los materiales a buscar su forma ms estable o de menor energa interna. Siempre que la corrosin est originada por una reaccin electroqumica (oxidacin), la velocidad a la que tiene lugar depender en alguna medida de la temperatura, la salinidad del fluido en contacto con el metal y las propiedades de los metales en cuestin. Otros materiales no metlicos tambin sufren corrosin mediante otros mecanismos.La corrosin puede ser mediante una reaccin qumica (redox) en la que intervienen dos factores: la pieza manufacturada (la concepcin de la pieza: forma, tratamiento, montaje) el ambiente (por ejemplo, un ambiente cerrado es menos propenso a la corrosin que un ambiente abierto)O por medio de una reaccin electroqumicaLos ms conocidos son las alteraciones qumicas de los metales a causa del aire, como la herrumbre del hierro y el acero o la formacin de ptina verde en el cobre y sus aleaciones (bronce, latn).</p> <p>C).- DIAGRAMAS O ESQUEMAS DE PROCESO: Experimento N1:</p> <p>Recomendaciones.- Revisar los aparatos antes de realizar las mediciones del voltaje, para realizar medicines ms precisas.</p> <p> Experimento N2: Electrlisis de una solucin acuosa de yoduro potsico, KI.</p> <p> Experimento N3:Corrosin del Hierro por Agentes Qumicos.</p> <p>Poner un clavo en los cuatro tubos de ensayo y aada a cada unaAada a cada una (0,1)M NaOH Na2Cr2O7, NaCl , HCl , determine las concentraciones de H+Aada 1 2 gotas de K3Fe(CN)6 0.1 y anote cualquier cambioAada 2 gotas de K3Fe(CN)6 01.M a 3ml de FeSO4 compare los resultadosDetermine las concentraciones de H+ mediante el papel de tornasol </p> <p>D).- DATOS:</p> <p> Experimento N1: 4 vasos de 150 ml Un tubo en U conteniendo solucion saturada de KCl( puente salino) Un electrodo de Cu, Zn y Pb Cables de conexin 1 voltimetro Cu(NO3), 0.1M; Zn(NO3)2, 0.1M; Pb(NO3)2, 0.1M; Na2S, 1M Experimento N2:</p> <p> 1 tubo en U vacio 1 soporte con 1 pinza de fierro 1 tubo gotero KI, 0.5M; FeCl3, 0.1M; CCl4, fenolftaleina 2 electrodos de carbon 2 pinza de cocodrilo 1 fuente de corriente continua</p> <p> Experimento N3: NaOH, 0.1M; NaCr2O7, 0.1M; NaCl, 0.1M; HCl, 0.1M; FeSO4.7H2O, HCl, 0.1M; K3Fe(CN)6, HCl, 0.1M 4 clavos de 2 pulgadas</p> <p>E).- CALCULOS Y RESULTADOS: Experimento N1:</p> <p>Parte A: Pilas constituidas por las semipilas:Zn/Zn2+(0,1 M)//Cu2+(0,1 M)/CuSe realizan las siguientesreacciones: Zn + 2e Zn2+Cu2+ Cu + 2eVoltaje : 0,821 voltios: con el puente salinoVoltaje : 0 voltios: sin el puente salino</p> <p>Parte C : Efecto sobre la concentracin del agente oxidante:El precipitado era el sulfuro de cobre, que se form mediante la siguientereaccin:Na2S+ Cu 2+ CuS + 2NaEsto produjo una disminucin en la concentracin del Cu2+ , ya que parte de l reacciona con el sulfuro de sodio.Voltaje : 0,784 voltios: con el puente salinoVoltaje : 0,596 voltios: sin el puente salino</p> <p> Experimento N2:En este experimento se efectuara la electrolisis de una solucin acuosa e yoduro potsico KI y se identificaran los productos que se forman en los electrodos.</p> <p>Luego de las conexiones realizadas veremos qu:</p> <p>Ctodo: Se observa el desprendimiento de burbujas H2(g) incoloro</p> <p>Las reacciones producidas son las siguientes:</p> <p>En un extremo del tubo se deposit el yodo, de color pardo, que actu como el nodo, ya que en este se produce la oxidacin:</p> <p>2I- I2 + 2e</p> <p>En el otro extremo se deposita el hidrgeno liberado en forma de burbujas, el cual acta como ctodo ya que en este se produce la siguiente reduccin:</p> <p>H22H2O + 2e- H2 + 2OH</p> <p>De las observaciones:Vemos que luego de las conexiones a la fuente elctrica empieza a generarse un color pardusco que va expandindose.</p> <p>La proporcin entre el color pardo es los 7/12 y con respecto al total que seria los 7/5 con respecto a la parte incoloro. </p> <p>Despus de extraer cierta cantidad de la parte incolora se le suministra gotas de fenolftaleina para ello adoptara un color rojo grosella pero al echarle el FeCl3 aparecer un color anaranjado oscuro. </p> <p> Experimento N3:</p> <p>NaOHHClNaClNa2Cr2O7FeSO4</p> <p>Solo con clavoincoloroincoloroincoloroanaranjadoMarrn claro</p> <p>Con gotas de K3Fe(CN)6amarillo claroverde oscuroamarilloanaranjadonegro</p> <p>pH112671</p> <p>F).-OBSERVACIONES:</p> <p>En el experimento 1: Se pudo apreciar que el multi-tester(voltmetro) no media una diferencia de potencial elctrico igual sino que iba variando constantemente, por lo que no se poda tener una lectura nica sino que varias. Pasado un tiempo desde el funcionamiento de la celda electroltica el electrodo de Zn empez a tornarse de una capa blanquecina. En la semi-celda donde se encontraba el cobre (ctodo) al agregarle Na2S pasa de un color celeste a un verde claro. En la parte c de este experimento se observo la formacin de un precipitado al agregar N2S, pues este reacciono con el Cu+2 formando el CuS y el Na(s)En el experimento 2: En el ctodo observamos que el agua se reduce, y se ve un desprendimiento de burbujas.</p> <p> Al agregar fenolftaleina a la solucin que se forma en el ctodo, se observa que la solucin toma una coloracin rojo grosella, lo cual demuestra que hay presencia de iones OH</p> <p> En el nodo; el yodo se oxida, es decir pasa del ion I a I2, tambin observamos que en el nodo se forma una coloracin amarillenta. </p> <p>En el experimento 3: En la primera parte obtenemos los siguientes resultados:</p> <p>HClNaClNa2Cr2O7NaOH</p> <p> En la segunda parte al agregar K3Fe(CN)6 0.1M a las mismas soluciones y a la solucin de FeSO4</p> <p>NaOHHClNaClNa2Cr2O7FeSO4</p> <p>G).- CUESTIONARIO:</p> <p>03. Haga las ecuaciones de las reacciones de las semipilas:a) b) Calcule el voltaje terico de las pilas: El Zn se oxida a Zn+2 en el nodo: El Cu+2 se reduce a Cu en el ctodo:</p> <p> Zn(s) Zn+2(ac) + 2e-2e- + Cu+2 Cu Cu(s) </p> <p>Reaccin neta:</p> <p> Zn(s) + Cu+ 2 Zn2(ac) + Cu(s)</p> <p>La fem de la celda es: celda = catodo anodo = Cu2/ Cu(s) Zn(s) /Zn2</p> <p>celda = 1.10V = 0.34V (-0.76V) </p> <p>El Pb se oxida a Pb+ 2 en el nodo: El Cu+2 se reduce a Cu en el ctodo:</p> <p>2e- + Cu+ 2 Cu(s)Pb(s) Pb+ 2(ac) + 2e- </p> <p>Reaccin neta:</p> <p>Pb(s) + Cu+ 2 Pb+ 2(ac) + Cu(s)</p> <p>celda = catodo anodo = Cu2/ Cu(s) Pb(s)/Pb2</p> <p>celda = 0.47V = 0.34V (- 0.13V) </p> <p>4. Qu ocurre con el voltaje de la pila: Zn(s) / Zn+2(1M) // Cu+2(1M)/Cu(s) Si en vez de tener Zn+2(1M), utilizamos: Zn+2(...</p>