CELDAS GAVANICAS

OBJETIVOS

- Comprender el funcionamiento de las pilas mas comunes

- Utilizar la ecuación de nerst para el calculoi de potenciales estándar en variedad de pilas.

FUNDAMENTO TEORICO

GENERALIDADES

Todas las reacciones quimicas son fundamentalmente de naturaleza electrica puesto que hay electrones involucrados en todos los tipos de enlaces quimicos. Sin embargo la elctroquimica es primordialmente el estudio del fenómeno oxido reduccion.

Las reducciones de cambios quimicos y energia electrica tienen importancia teorica y practica. Las reacciones quimicas pueden utilizarse para producir energia electrica (en pilas que se llaman pilas volticas o galvanicas). La enrgia electrica puede utilizarse para realizar trasformaciones quimicas (pilas electrolititicas). Ademas el estudio de los prosesos electroquimicos lleva a la comprensión y ala sistematizacion de los fenómenos de oxido-reduccion que ocurre fuerra de las pilas.

La mayoria de los compuestos inorganicos y algunos de los organicos se ionizan al fundirse o cuando se disuelven en agua u otros liquidos, es decir sus moléculas se disocian en componentes cargados positiva y negativamente que tiene la propiedad de conducir la corriente electrica. Si se coloca un par de electrodos en una disolución de un electrolito (o compuesto ionizable) y se conecta a una fuente de corriente continua entre ellos, los iones positivos de la disolución se mueven asia el electrodo negativo y los iones negativos asia el positi. Al llegar a los electrodos los iones pueden llegar aganar o perder electrones y transformarse en atomos neutros o moléculas ; la naturaleza de las reacciones del electrodo depende de la diferencia de potencial o de voltaje aplicado.

Para producir una corriente electrica a partir de una reaccion quimica es necesario tener un oxidante es decir una sustancia que gane electrones fácilmente, y un reductor es decir una sustancia que pierda electrones

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fácilmente. Las reacciones de seste tipo pueden entenderse con un ejemplo, el funcionamiento de un tipo sencillo de la pila electroquimica.

Desde el punto de vista fisicoquimico los conductores mas importantes son los del tipo electrolíticos , es decir los electrolitos; estos se distinguen de los conductores electronicos, como los metales por el echo de que el paso de una corriente electrica va acompañada del tranporte de materia.

CELULA VOLTICA

Una celula voltica aprovecha la electricidad de una reaccion quimica espontanea para encender una bombilla (foco). Las tiras de zinc y cobre dentro de soluciones de ácido sulfurico diluido y sulfato de cobre respectivamente actuan dcomo electrodos. El puente salino (en este caso cloruro de potasio) permite a los electrones fluir entre las cubetas sin que se mesclen las disoluciones. Cuando el circuito entre los sistemas se completa la reaccion completa una corriente electrica , observe que el metal de la tira de zinc se consume y la tira desaparese la tira de cobre crese al reaccionar los electrones con la disolución de sulfato de cobre para producir metal adicional si se sustituye la bombilla por una bateria la reaccion se invertira creando una celula electrolitica.

POTENCIAL ESTÁNDAR DE REDUCCION

El voltaje o fuerza electromotriz suministrada por una pila galvanica se designa por y es la diferencia de potencialentre sus electrodos.En una pila galvanica el catodo esta cargado positivamente con respecto al anodo por lo cual.

El potencial de los electrodos y la fem de la pila dependen de las concentraciones estándar o normal al valor de cuanto las concentraciones de todos los iones implicados en la reaccion de la pila es 1M la presion de los gases 1atm y la temperatura 25 C esta fuerza electromotriz esandar o normal se denomina como .

En el caso que ya conocieramos los potenciales esandar del catodo y el anodo, o sea en las condiciones antes mensionadas podriamos obtener la fuerza electromotriz estándar de la pila con la siguiente formula:

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Para asignar valores a los potenciales de distintos electrodos se debe escoger uno de ellos como referencia y asignarle un valor arvitrario esto se debe hacer por que no hay modo de medir el potencial absoluto de un electrodo porque solo puede medirse diferencias entre los potenciales de los electrodos.

ENERGIA DLIBRE DE GIBBS Y EL POTENCIAL DE CELDA

Si la reaccion de una celda contiene en juego n electrones la relacion con la energia libre de Gibbs es la siguiente:

En donde:

G=cambio en la energia de gibbs para la reaccion de celda

N= numero de electrones

F= 1 faraday = 96500columbios

Esta ecuación es la relacion fundamental entre el potencial de celda celda y el cambio de energia de Gibbs se acompaña ala relacion de se convierte en:

La f.e.m. de celda es por tanto una propiedad intensiva del sistema no depende del tamaño de la celda ni de los coeficientes escogidos para balancear la ecuación quimica de la relacion quimica de la relacion de celda.La espontaneidad de una reaccion puede jusgarse mediante el potencial de celda correspondiente mediante la ecuación planteada de la dependencia de respecto ala energia libre de gibbs se deduce que si G es negativo positivo por lo tanto tiene el siguiente criterio.

G La relacion de celda- + Es espontanea+ - No es espontánea0 0 Esta en equilibrio

ECUACION DE NERST

El valor de la f.e.m. depende tanto de las concentraciones de las soluciones como de la temperatura y del potencial de cada especie que

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participa en el proceso Redox. Para lograr un patrón se definio al potencial normal de oxidación como aquel medion en condiciones normales con respecto al cero.

La ecuación para calcular el potencial de unelectrodo fuera de esas condiciones la descubrio nerst y viene expresada como:

a 25 C

Donde

- R = constante de los gases (J/Kmol)

- T = temperatura de proceso ( K)

- F = constante de faraday

- N = numero de electrones en juego ene. Proceso redox

- = indica las concentraciones de las espesies tanto como la que se oxida como la que se reduce.

DEPENDENCIA DE LA TEMPERATURA DEL POTENCIAL DE CELDA

El potencial de una celda depende de la temperatura ala cual se lleve a cabo la reaccion.

Si se diferencia la ecuación:

Se obtiene lo siguiente:

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El valor de S es independiente de la temperatura con bastante aproximación. Si se integra la anterior ecuación entre la temperatura de raferencia To y cualquier temperatura T, obtenemos:

o bien

Donde t tiene unidades de ( C )

El potencial de celda es una funcion lineal de la temperatura.

DETERMINACION DE DE UNA MEDIA CELDA

Ya que los valores constantes de equilibrio se obtienen a partir de los potenciales parciales estándar de media celda el metodo para obtener el

del electrodo plata-ion plata.Entonces construimos una celda que incluya este electrodo de hidrogeno como electrodo entonces la celda es:

La reaccion de celda es:

Y el potencial de celda es

A 25 C

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Si se trata de una solución ideal diluida prodriamos reemplazar (Ag) por m molalidad de la sal de plata entonces la ecuación anterior sera:

midiendo a varios valores de m y graficando en funcion de logm se obendra una linea recta de pendiente igual a 0.05916. la interseccion con el eje de de las ordenadas m=1 seria el valor de .

Si las mediciones se realiza en soluciones suficientemente diluidas para que la ley limite de Debye-Huckel sea valida entonces la ecuación se reduse a

A partir de los valores medidos de y m ,puede calcularse el termino de la izquierda de esta ecuación este termino se grafica en funcion de la extrapolación de la curva a =0 proporciona una interseccion igual a

en la figura a continuación se muestra un esquema de la grafica.

Este metodo es por el cual se obtiene valores de exactos apartir de los valores medidos de de cualquier media selda

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ELECTRODO DE CALOMELANOS

Este electrodo esta formado por mercurio cubierto por una capa de cloruro insoluble (calomelanos) Hg2Cl2 en equilibrio con una disolución de cloruro potasico que puede ser 0,1N 1N o saturado , el contacto electrico con el mercurio se realisa por medio de un ilo de platino un esquema de este electrodo se presenta en la siguiente figura.

La reaccion de electrodo de calomelanos es

Asi pues si el electrodo actua como anodo (-) la reaccion es hacia la izquierda (oxidación);si el electrodo actua comno catodo (+) la reaccion es asia la derecha (reduccion)

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

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ELABORACION DEL PUENTE SALINO

- Preparar una solución de cloruro de amonio y cloruro de potasio 0,1M

- Agregar a dicha solución colapez o gelatina sin sabor

- Remover con ayuda de una varilla de vidrio asta diluir

- Llenar un tubo en U con dicha preparación y tapar ambos extremos con algodón de modo que no quede aire

- Esperar que se solidifique

MEDICION DE LA f.e.m.

Medicion de la fem de las siguientes pilas

a) electrodo de cobre-electrodo de calomelanos(de referencia)

b) electrodo de zinc-electrodo de calomelanos(de referencia)

PILA DE DANIELLI

- Prepara soluciones de sulfato de cobre y sulfato de zinc 1My por dilucion ,0,1, 0.01,0.001 M

- En un vaso de precipitados de 250 cc echar la solución de sulfato de cobre ( los dos tercion del vaso, aproximadamente) y en otro la solución de sulfato de zinc

- Introducir una lamina de cobre en la disolución de sulfato de cobre y una de zinc en la de sulfato de zinc (ambas laminas bien limpias)

- Utilizando un par de pinzas de cocodrilo y cables conectar la lamina de cobre al borne comun de un voltímetro (corriente continua) y la de zinc al borne negativo

- Anotar cuanto marca el voltímetro

- Repetir el procedimiento, cambiando las soluciones de acuerdo alas distintas concentraciones en pares de la misma concentración.

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INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA SOBRE EL POTENCIAL DE CELDA -Calentar las solución tanto de sulfato de cobre como sulfato de zinc de concentración 0.1M asta una temperatura de 30.

-armar el circuito de la pila de danielli

- anotar cuanto maarca el voltímetro.

CALCULOS

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