Electrolisis Del Agua Alumno

1

CHEM·DEMO·No. 1145-00

ELECTRÓLISIS DEL AGUA - VERSIÓN AMPLIADA

Guía del Alumno

DescripciónPor medio de una corriente eléctrica, descomponemos agua fácilmente en sus elementos: hidrógeno y oxígeno. Un aparato resistente nos facilita la observación de la reacción y la proporción del volumen entre los gases que se forman, permitiendo su recolección. Entonces, podemos observar varias de sus propiedades características. El uso de un indicador ácido-base permite la obsevación de subproductos de la descomposición del agua.

Contenido del kit:Por favor verifique que todo el material esté presente, lea todas las instrucciones antes de comenzar el experimento y sígalas exactamente.

- Aparato de electrólisis- Base de plástico con amperímetro incorporado- Dos baterías de 9 volts- Cinco bolsas plásticas con solución de sulfato de sodio (Na2SO4)- Una botella con gotero con indicador universal de pH- Una botella vacía- Una pantalla blanca (embalada en el fondo de la caja)- Un gotero- Accesorios opcionales:

o 2 tubos conectoreso 2 tubos de ensayoo Caja de fósforoso Tablilla de madera

Notas:- Las tijeras se necesitan para abrir las bolsas de plástico, pero no se proveen.- La solución de sulfato de sodio se utiliza en este experimento no solo porque es más segura que el

ácido, sino también porque permite que los cambios de color, debidos a la formación del ácido y la base, sean vistos cerca de los electrodos.

- La solución de sulfato de sodio que se provee puede ser utilizada muchas veces, pero si es necesario, hay más solución disponible en forma separada.

- El voltaje preferente para el experimento es por encima de los 18-24 voltios DC. Con un voltaje menor, la electrólisis ocurre de forma demasiado lenta.

¡Cuidado!De ninguna manera el artefacto debe estar conectado a un voltaje mayor a 24 volts. Utilizar un voltaje mayor (como el de la red eléctrica doméstica) es extremadamente peligroso y puede llevar a accidentes fatales.

MotivaciónUna de las ideas más promisorias para reducir el daño al medio ambiente causado por los automóviles es el uso de hidrógeno como combustible.

©Science Demo. Ltd. CHEM●DEMO● 1,770,901 Series, 2000

2


Preguntas centrales: Respuestas correctas:

A. ¿Por qué el hidrógeno se usaba en los globos? A.

B. ¿Por qué no se usa más en los globos? B.

C. El hidrógeno es el elemento más común del universo. ¿Por qué es muy poco común en la atmósfera terrestre?

C.

D. ¿Qué ocurre cuando arde el hidrógeno? D.

E. ¿Por qué el quemar hidrógeno es libre de contaminación?

E.

F. ¿Cuál es la fuente más abundante posible de hidrógeno en la tierra?

F.

G. ¿Cuál es entonces un gran problema de usar el hidrógeno como combustible?

G.

En el experimento de hoy, demostraremos una forma sencilla de preparar hidrógeno a partir de agua y al mismo tiempo, aprender más sobre los dos elementos que la componen.

Instrucciones de uso:Este kit se puede utilizar de dos formas distintas:I. Experimento cualitativo:

- Para demostrar la relación atómica en la molécula de agua.- Para mostrar los cambios en la acidez/basicidad debido a la oxidación/reducción del agua.

II. Experimento cuantitativo: - Para medir (indirectamente) la carga en un único electrón o (alternativamente) determinar el

valor del Número de Avogadro. Para el experimento cualitativo, seguir las instrucciones para la Parte I, para el cuantitativo referirse a la Parte II.

Armando el aparatoInicialmente, el diseño de electrólisis debe estar ensamblado de la siguiente manera:

a. Dar vuelta la base e insertar los dos tornillos que sobresalen de abajo del aparato de electrólisis en los dos orificios en la base.

b. Unir los dos cables a los tornillos a través de los ojales de la terminal.c. Sujetar el artefacto firmemente a la base atornillando las dos tuercas

mariposas (como en la figura 1).d. Insertar una de las dos baterías de 9V en los sostenes en la parte trasera

del aparato.

Una vez armado, no hay necesidad de desarmarlo (excepto las baterías).

Para usar el aparato, conectar las baterías al conector apropiado, e insertar los conectores banana machos que se encuentran en las puntas de los cables conectores a las hembras en la base del aparato. Asegúrese de que las conexiones estén como corresponden: el macho rojo (positivo) a la hembra roja, y el macho negro (negativo) a la hembra negra.Para desconectar temporalmente el aparato, desenchufar uno de los machos. Una vez que haya completado todos los experimentos, desconecte las baterías del conector para evitar un cortocircuito si los conectores se tocan.


Figura 1

3


La fuente de electricidad utilizada para operar el aparato de electrólisis también puede ser una fuente de electricidad D.C. de 15V-24V. Si quiere utilizar una fuente adecuada de energía eléctrica, conecte los tomacorrientes de la fuente de electricidad al enchufe adecuado en la base del artefacto utilizando dos cables con conectores banana al final. Una vez más, asegúrese de conectar la terminal positiva al enchufe rojo y la terminal negativa al enchufe negro.

Advertencia- Asegúrese de tomar todas las medidas de seguridad, como utilizar gafas de seguridad.- Solo la solución provista debe utilizarse con este aparato. - No dejar el aparato expuesto a la luz o cerca de una fuente de calor.- Utilice solo 15V-24V. ¡Un voltaje más alto está estrictamente prohibido y es muy peligroso!

Parte I – Experimento cualitativoNota: Este experimento puede realizarse de dos maneras diferentes:1) Para descomponer el agua en sus elementos, determinar la relación aproximada entre ellos, y seguir

visualmente la reacción química. En este caso, se debe agregar la solución indicadora en el paso 6.2) Para determinar la relación estequiométrica de la molécula de agua; en rigor, para determinar la

fórmula del agua, H2O. En este caso, el indicador no debe ser agregado. (Al final del experimento, un poco de líquido puede ser retirado de cada columna en dos recipientes separados para evaluar mediante el indicador. Ver sección 24.)

Instrucciones:1. Coloque el aparato de electrólisis de manera que la batería esté cerca suyo,

y el frente del aparato mire hacia la clase.

Pregunta Central: Respuesta Correcta:A. ¿Cuál es el propósito de las baterías? A.

2. Abra las llaves. Para abrirlas, sostener cada llave con una mano y desenroscarla con la otra mano. (Tres vueltas son suficientes.)

3. Corte la punta de una de las bolsas de sulfato de sodio, Na2SO4, y vuelque su contenido en una botella vacía.

Pregunta Central: Respuesta Correcta:A. ¿Por qué se utiliza una solución de sulfato de

sodio en vez de agua? A.

4. Si desea seguir los cambios de acidez/basicidad durante la electrólisis, coloque unas 15 gotas del indicador universal en la solución en la botella y mezclar bien. Note que esto afectará la relación estequiométrica aparente, ya que el indicador también será electrolizado.

Pregunta Central:Respuesta Correcta:

A. ¿Qué es un indicador universal? A.

5. Vuelque la mayor parte de la solución en la columna del medio del aparato e inclinarlo a cada lado para liberar el aire atrapado.

6. Agregue más solución de manera que las columnas exteriores – aun abiertas – se llenen exactamente hasta las conexiones de plástico grises (figura 2). Es importante llenar el aparato de electrólisis en forma precisa.


Llave

Nivel de solución

Figura 2

4


Si la superficie de la solución está por encima del nivel correcto, el líquido extra debe ser quitado con el gotero.

7. Marque el nivel del líquido en la columna del medio.

8. Deslice la pantalla blanca en la muesca de la base del aparato de electrólisis (figuras 1+3).

Preguntas Centrales: Respuestas Correctas:A. ¿Cómo está el nivel de la solución de la

columna del medio comparado con los niveles de las dos columnas exteriores?

A.

B. ¿Por qué están iguales los tres niveles de los líquidos?

B.

9. Para comenzar el proceso, conectar la segunda batería y dejar las llaves abiertas durante aproximadamente un minuto.

Preguntas Centrales: Respuestas Correctas:A. De lo que sabe de los peces, ¿qué conoce sobre la solubilidad del oxígeno en el agua?

A.

B. Teniendo en cuenta este último hecho, ¿por qué cree que las llaves se dejan abiertas por unos momentos?

B.

C. ¿De dónde puede provenir el oxígeno en el experimento?

C.

10. Cierre las llaves y comience el experimento real.

Preguntas Centrales: Respuestas Correctas:

A. ¿Qué puede verse cerca de los electrodos en la base de las dos columnas externas?

A.

B. ¿Qué es una burbuja? B. C. ¿De qué lado del aparato hay más burbujas? C. D. ¿Notó un cambio en el registro del

amperímetro?D.

11. Si ha utilizado el indicador universal, observe los cambios de colorPreguntas Centrales: Respuestas Correctas:

A. ¿Qué color aparece en la columna del lado izquierdo, cerca del electrodo negativo?

A.

B. ¿Qué indica la aparición de color azul? B. C. ¿Qué color aparece en la columna del lado

derecho, cerca del electrodo positivo?C.

D. ¿Qué indica la aparición del color rojizo-rosado?

D.

En el caso de que tenga los accesorios para la colección de gas proceda con los pasos 12 a 25.

12. Después de veinte minutos, observe los volúmenes relativos de los dos gases colectados en las columnas externas, y desconecte una de las baterías (Note que los mejores resultados se obtienen sin el indicador).


Rojo

Negro

Figura 3

5


Pregunta Central: Respuesta CorrectaA. ¿Cuál es relación aproximada de los

volúmenes de los gases?A.

13. Atornille el tubo conector más corto a la columna donde se colectó más gas, asegurándose de que la salida esté hacia arriba (figura 2).

14. Tome un tubo de ensayo y, mientras lo sostiene dado vuelta sobre el tomacorriente, abra la llave de manera que colecte el gas hacia arriba en el tubo de ensayo.

15. Dejando el tubo de ensayo dado vuelta, ciérrelo con su tapón.

Pregunta Central: Respuesta CorrectaA. Colectar gas de esta manera ¿qué

información le brinda acerca de las propiedades de este gas?

A.

16. Pida a los estudiantes que observen detalladamente qué es lo que está por ocurrir.17. Encienda un fósforo, quite el tapón de la boca del tubo de ensayo y rápidamente

remplácelo con el fósforo encendido (Dejando el tubo boca abajo).

Preguntas Centrales: Respuestas CorrectasA. ¿Qué ocurrió cuando se colocó el fósforo

encendido en la boca del tubo de ensayo lleno de gas?

A.

B ¿Cómo se denomina este gas? B. C ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es

verdadera?- El hidrógeno es un gas que arde.- El hidrógeno es un gas que apoya la

combustión, esto es, los objetos arden en él.

C.

D ¿Qué color tiene el hidrógeno? D.

18. Atornille el tubo conector más largo a la otra columna externa, asegurándose de que la salida dé hacia afuera.

19. Inserte la salida en el tubo de ensayo hasta donde sea posible y abra la llave de manera de colectar gas en el mismo.

20. Cierre el tubo de ensayo con su tapón.

Preguntas Central: Respuesta CorrectaA. Colectar gas de esta manera ¿qué

información le brinda sobre las propiedades de este gas?

A.

21. Pida a sus alumnos que observen con atención lo que está por ocurrir.22. Encienda un fósforo, quite el tapón de la boca del tubo de ensayo y rápidamente

remplácelo con el fósforo encendido.

Preguntas Centrales: Respuestas CorrectasA. ¿Qué le ocurrió al fósforo? A. B. ¿Cómo se denomina este gas? B. C. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es

verdadera?C.


6


Preguntas Centrales: Respuestas Correctas- El oxígeno es un gas que arde.- El oxígeno apoya la combustión, esto es, los

objetos arden en él.D. ¿De qué color es el oxígeno? D. E. De acuerdo con este experimento, ¿de qué

elementos está compuesta el agua?E.

F. ¿Cuánto hidrógeno hay en las moléculas de agua en relación al oxígeno?

F.

G. Si el símbolo químico del agua es H y el del oxígeno es O, ¿cuál es la fórmula química del agua?

G.

H. ¿Qué significa la fórmula química del agua H2O?

H.

23. Luego de que todos los gases se hayan liberado, examine el nivel de solución en la columna del medio.

Preguntas Centrales: Respuestas CorrectasA. ¿Cómo se encuentra el nivel de la solución

comparado con el nivel marcado previamente?

A.

B. Ya que los gases se formaron por descomposición de parte del agua, ¿qué podemos concluir del hecho anterior sobre los volúmenes relativos de los líquidos y los gases?

B.

24. En el caso de que el indicador no haya sido agregado a la solución salina: transferir un poco de solución a los tubos de ensayo de cada una de las columnas externas y agregar a cada una algunas gotas de solución del indicador.

25. Observe los cambios de color.

Preguntas Centrales: Respuestas CorrectasA. ¿Qué color apareció en la columna del lado

izquierdo, cerca del electrodo negativo?A.

B. ¿Qué indica la aparición del color azul? B. C. ¿Qué color apareció en la columna del lado



D.

Al final del experimento:a. Abra ambas llaves.b. Vuelque la solución (a través de una de las llaves) en la botella vacía y guárdela para su uso

futuro.c. Enjuague el aparato varias veces con agua de red. Ocasionalmente se puede utilizar etanol para

limpiar los tubos completamente. No utilice otros solventes para limpiar el aparato.

Parte II. – Experimento cuantitativo


7


No mezclar en el indicador universal.

1. Coloque el aparato de electrólisis de manera que las baterías estén cerca suyo, y el frente del aparato mire hacia la clase.

2. Abra las llaves. Para abrirlas, sostenga cada llave con una mano y desenrósquela con la otra mano. (Tres vueltas son suficientes.)

3. Corte la punta de una de las bolsas de solución de sulfato de sodio, Na2SO4, y vuelque su contenido en la botella vacía.

4. Vuelque la mayor parte de la solución en la columna del medio del aparato e incline el aparato a cada lado para liberar el aire atrapado.

5. Agregue más solución de manera que las columnas externas – aun abiertas – se llenen exactamente hasta las conexiones de plástico grises (ver Figura 2). Esto es importante para llenar el aparato de electrólisis en forma precisa. Si la superficie de la solución está por encima del nivel correcto, el líquido extra debe removerse de la columna del medio con el gotero.

6. Marque el nivel del líquido en la columna del medio.7. Deslice la pantalla blanca en la muesca de la base del aparato de electrólisis (ver Figura 3).8. Para comenzar el proceso, conecte la segunda batería y deje la llave abierta durante un

minuto.

Preguntas Centrales: Respuestas Correctas:A. De lo que sabe de los peces, ¿qué conoce sobre

la solubilidad del oxígeno en el agua?A.

B. Teniendo en cuenta este último hecho en cuenta, ¿por qué cree que las llaves se dejan abiertas por unos momentos?

B.

C. ¿De dónde puede provenir el oxígeno en el experimento?

C.

9. Luego de aproximadamente un minuto, cierre las llaves y comience a contar el tiempo (en segundos).

Preguntas Centrales: Respuestas Correctas:A. ¿Qué puede verse cerca de los electrodos

en la base de las dos columnas externas?A.

B. ¿Qué es una burbuja? B. C. ¿Cerca de cuál electrodo hay más

burbujas?C.

10. Mida el flujo de corriente leyendo el amperímetro. De vez en cuando repita esta medición y si la corriente no es estable, registre sus lecturas y haga un promedio de sus datos.

11. Mida la temperatura ambiente.12. Registre sus datos en el apéndice adjunto.13. Luego de 20 minutos, desconecte las baterías y registre el momento exacto desde el

comienzo de la electrólisis.14. Mida el volumen de gas colectado en la columna del lado izquierdo.15. Para colectar e identificar gases, lleve a cabo los pasos 12-25 de la Parte I.16. De los datos experimentales de arriba se pueden calcular la carga sobre un único electrón

o el valor del Número de Avogadro, como se muestra en el material de información básica en el Apéndice.

17. Para seguir los cambios de pH en los electrodos, un poco de líquido puede ser retirado de cada columna y evaluado mediante el indicador.


8


Preguntas Centrales: Respuestas Correctas:A. ¿Qué color aparece en la columna del lado

izquierdo, cerca del electrodo negativo? A.

B. ¿Qué indica la aparición de color azul? B. C. ¿Qué color aparece en la columna del lado



D.

Al final del experimento:a. Abra ambas llaves.b. Vuelque la solución (a través de una de las llaves) en la botella vacía y guárdela para su uso futuro.c. Enjuague el aparato varias veces con agua de red. Ocasionalmente se puede utilizar etanol para

limpiar los tubos completamente. No utilice otros solventes para limpiar el aparato.

ResumenLos estudiantes deben ser capaces de resumir el tema respondiendo las siguientes preguntas:

Preguntas Centrales: Respuestas CorrectasA. ¿Cómo puede descomponerse fácilmente el

agua?A.

B. ¿De qué elementos está compuesta el agua? B. C. ¿Cuál es la relación relativa de los

elementos en la molécula de agua?C.

D. ¿Cómo se determinó la relación atómica? D. E. (Si corresponde) ¿Qué cambio de color tuvo

lugar en el electrodo donde el hidrógeno fue liberado?

E.

F. (Si corresponde) ¿Qué cambio de color ocurrió cerca del electrodo positivo?

F.

G. ¿Qué medidas se tomaron para determinar el Número de Avogadro / la carga de un único electrón?

G.

Base TeóricaEste equipo enseña como se puede descomponer agua en sus elementos por medio de una corriente eléctrica:

2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g)

A. Reseña HistóricaEn 1781, el químico inglés Henry Cavendish probó que el agua no era un elemento sino que se formaba como resultado de la combinación de dos gases. Varios años después, el químico francés Antoine Lavoisier explicó el proceso y le dió nombre a los dos gases. Él logró, en 1784, descomponer agua y así completó la prueba de que ésta no es un elemento. En 1800, inmediatamente después de la invensión de la batería eléctrica, tres científicos ingleses descompusieron agua en sus elementos por electrólisis.


9


B. Proporción EstequiométricaLos productos de la electrólisis del agua se recolectan separadamente. Una medida del grado de descomposición se da por el volumen de los gases recolectados. Podemos observar fácilmente que la proporción de los volúmenes es 2:1, la cual es la misma que la proporción atómica entre el hidrógeno y el oxígeno en la molécula de agua. (La conexión entre la proporción del volumen de los gases y la proporción atómica (proporción estequiométrica) sólo puede explicarse usando el Principio de Avogadro que dice que “Volúmenes iguales de todos los gases, bajo las mismas condiciones de temperatura y presión, contienen igual número de moléculas”).

C. Oxidación y Reducción del AguaCuando usamos un indicador universal, es posible detectar los cambios de pH que ocurren durante la electrólisis del agua en ambos electrodos. La aparición del color rojo indica condiciones ácidas mientras que el color azul indica condiciones básicas.

Oxidación (en el electrodo positivo):La aparición del color rojo o un pH bajo indican la formación del ion hidronio, H3O+.

6H2O(l) → O2(g) + 4H3O+(ac) + 4e-

Reducción (en el electrodo negativo):La aparición del color azul o un pH alto indica la formación del ion hidróxido, OH-.

4H2O(l) + 4e- → 2H2(g) + 4OH-(ac)

D. Algunas Propiedades del Hidrógeno y del Oxígeno- Tanto el hidrógeno como el oxígeno son gases incoloros.- Ambos gases son casi insolubles en agua. (El hecho de que el oxígeno es ligeramente más soluble

en agua es lo que permite la vida de los peces u otras criaturas acuáticas.)- El hidrógeno es considerablemente más ligero que el aire mientras que el oxígeno es ligeramente

más pesado que el aire. (Las masas molares relevantes son: hidrógeno 2, oxígeno 32 y nitrógeno 28, gramos/mol).

- El hidrógeno se quema pero no permite la combustión. Su mezcla con el aire se quema muy rápido, característico de una explosión.

- El oxígeno no se quema pero permite la combustión. Es decir, sustancias que se queman lo hacen más brillantemente en oxígeno que en aire.

VocabularioElectrólisis - La descomposición de un compuesto químico, en estado líquido o en solución, por

medio de una corriente eléctrica.Electrodo - Conductor eléctrico por el cual entra o sale una corriente eléctrica de una celda

electroquímica u otro aparato.Ácido - Sustancia con sabor amargo, cuya solución en agua cambia el papel tornasol azul en

rojo y reacciona químicamente con la mayoría de los metales y las bases para formar sales. En términos químicos: sustancia que libera iones de hidrógeno (hidronio).

Base - Sustancia, cuya solución en agua cambia el papel tornasol rojo en azul y reacciona con ácidos para formar sales. En términos químicos: sustancia que acepta iones de hidrógeno (hidronio).

Combustión - Proceso de arder, reacción química la cual emite luz y calor.


10


Científicos en el áreaHenry Cavendish (1731-1810) – Químico inglés, principalmente conocido por su trabajo pionero con

hidrógeno y agua.Antoine Lavoisier (1743-1794) – Químico francés, comúnmente llamado “el padre de la química

moderna”. Clarificó la diferencia entre elementos y compuestos, explicó la verdadera naturaleza del oxígeno y la combustión, estableció la Ley de la Conservación de la Materia e introdujo la nomenclatura química sistemática.

Amedeo Avogadro (1776-1856) – Científico italiano, conocido principalmente por el importante Principio de Avogadro, el cual relaciona el número de moléculas de los gases con su volumen.

Cálculos - Paso por Paso1. La carga total que atraviesa la solución se calcula empleando la intensidad de la corriente medida

en el circuito y el tiempo durante el cual es aplicada.2. A partir del volumen de hidrógeno acumulado en el tubo al finalizar la electrólisis, se calcula el

número de moles del gas empleando la Ecuación de Estado de los Gases Ideales.3. El número de moles de hidrógeno y la estequiometría de la reducción del agua se utilizan para

calcular el número de moles de electrones involucrados en la electrólisis.4. De la relación entre la carga total (inciso 1) y el número de moles de electrones se obtiene la carga

de un mol de electrones.5. Este número, dividido por la carga de un electrón da el número de Avogadro.6. Alternativamente, la carga de un mol de electrones (inciso 4), dividido por el número de Avogadro

da como resultado la carga de un electrón.

Datos Experimentales:Tiempo = tCorriente = IVolumen de hidrógeno = VTemperatura = T

Datos Adicionales:Presión de la columna de hidrógeno, P ~ 1 atm (ver nota)Constante de gas, R = 0.082 (l•atm/K•mol)

Cálculos:1

1. Carga total, Q = I x t [Coulombios]

2. Moles de gas hidrógeno producido. Se substituye el volumen del gas acumulado en la Ecuación de Estado de los Gases Ideales.

PV nH2 = ––– RT

1 Nota que las unidades para el cálculo deben estar dadas en: amperios para la corriente (I), segundos para el tiempo (t), litros para el volumen (V) y grados Kelvin para la temperatura (T).


11


3. De la ecuación de la reducción del agua

2H2O(l) + 2e- H2(g) + 2OH-(aq)

se observa que se necesitan dos moles de electrones para producir un mol de hidrógeno; por lo tanto, el número de moles de electrones necesarios para producir nH2 moles de hidrógeno es:

ne- = 2 x nH 2

4. Dividiendo la carga total (Q) por este número se obtiene la carga de un mol de electrones. Q Qmol e- = ––– ne-

5. Finalmente el valor del número de Avogadro se calcula dividiendo la carga de un mol de electrones entre la carga de un electrón:

Qmol e- Qmol e-

Número de Avogadro = ––––––– = ––––––––– Qe- 1.6x10-19

6. Alternativamente, la carga de un solo electrón se obtiene dividiendo la carga de un mol de electrones (inciso 4) entre el número de Avogadro:

Qmol e-

Qe- = –––––––––– 6.02x1023

(El valor teórico es 1.6x10-19 Coulombios)


Electrolisis Del Agua Alumno

Documents

Transcript of Electrolisis Del Agua Alumno