La electricidad se une con la química: Procesos de electrólisis

Transcripción

1 docente La electricidad se une con la química: Procesos de electrólisis Tipo de actividad: Curso: Asignatura: Objetivos del currículum que aborda la actividad: Unidad: 1 y 3 Palabras claves: Materiales para la actividad: Demostrativa de laboratorio 8vo básico Ciencias Naturales U1 ae 03 Describir la utilidad del modelo atómico y de la teoría atómica para explicar los procesos de transformación fisicoquímica de la materia. U3 ae 01 Explicar los fenómenos básicos de conductividad eléctrica y calórica. U3 ae 02 Identificar el rol que desempeñan las fuerzas eléctricas en la estructura atómica y molecular, así como en la electrización y la corriente eléctrica. U3 ae 03 Describir algunos cambios que ha experimentado el conocimiento sobre los fenómenos eléctricos en función de nuevas evidencias. Corriente continua, electroobtención, electrorrefinación, electrólisis, carga eléctrica, iones. Celda electrolíca, cargador, solución acuosa. En base a la información científica sobre el comportamiento de los átomos, el modelo atómico vigente en la actualidad indica que los átomos están compuestos de cargas eléctricas en equilibrio energético. Las cargas positivas se conocen como protones y las negativas como electrones. La cantidad de una u otra de estas cargas define la naturaleza y comportamiento de todos los átomos que componen el universo material. Es por la comprensión de esta constitución de cargas que hoy se han perfeccionado técnicas para modificar la reactividad de ciertos elementos incorporando una corriente eléctrica al medio de la reacción. Las baterías de los automóviles o los teléfonos celulares generan corrientes eléctricas gracias a reacciones químicas que ocurren entre sus polos (negativo y positivo). Por el contrario reacciones como la electrólisis ocurren al hacer pasar una corriente por un medio de reacción. En la gran minería del cobre, y otros metales, se utiliza la electrólisis en la etapa final del proceso productivo, generando el metal refinado en su mayor pureza. Los átomos están compuestos de cargas eléctricas en equilibrio energético.

2 docente En esta actividad los estudiantes podrán evidenciar el funcionamiento de una celda electrolítica para la producción de cobre metálico a partir de una disolución de ácido sulfúrico en medio ácido. Para ver la preparación de la celda electrolítica y una muestra de la actividad, le proponemos ver el siguiente video de internet: Experimentos DesCobre: Electroobtención INICIO Para el óptimo desarrollo de la presente actividad es importante que los estudiantes conozcan el modelo atómico vigente. En particular deben comprender que los átomos, partículas de las cuales se constituye toda la materia, están formados por otras más pequeñas conocidas genéricamente como partículas subatómicas, que pueden tener carga positiva, negativa o neutra. Del equilibrio entre las cargas constituyentes de un átomo se origina la carga total del mismo. Si existen igual cantidad de cargas negativas (electrones) que de cargas positivas (protones) el átomo se encuentra en estado neutro. Por el contrario si existen más cargas positivas que negativas el átomo tendrá carga total positiva y viceversa. Para conocer el nivel de los conocimientos previos referido a estos temas, formule las siguientes preguntas: Qué entienden por átomo? De qué está formado un átomo? Cómo es posible que existan átomos neutros y átomos con carga eléctrica (iones)? Otro tema que es importante conocer previamente es el de las corrientes eléctricas. En este sentido los estudiantes deben comprender que las corrientes eléctricas son flujos de cargas entre dos puntos definidos con una energía determinada. Actualmente se sabe que la corriente eléctrica se debe al movimiento de electrones, cargados negativamente, a través de un medio conductor, normalmente un cable metálico. También deben saber que las cargas se mueven entre dos polos, conocidos como ánodo (que acumula Las corrientes eléctricas son flujos de cargas entre dos puntos definidos con una energía determinada.

3 docente cargas positivas, es decir, el polo positivo) y el cátodo (que acumula una carga negativa, o sea, el polo negativo). El potencial energético entre los polos se conoce como diferencia de potencial o voltaje. La cantidad de corriente que se conduce es conocida como intensidad de corriente o amperaje. Para establecer los conocimientos asociados a este tema formule las siguientes preguntas: Qué entiendes por corriente eléctrica? Qué entiendes por ánodo y cátodo? En términos del proceso productivo del cobre, los estudiantes deben comprender que el cobre recibe una serie de tratamientos sucesivos que permiten llevar el mineral de cobre desde la roca obtenida de las minas hasta un estado de cobre metálico de alta pureza. Esto puede ser por el proceso conocido como pirometalurgia (que utiliza alta temperaturas para obtener cobre metálico a partir de minerales sulfurados) o por la hidrometalurgia (que utiliza ácido sulfúrico para obtener una disolución de sulfato de cobre en agua). Todo el proceso culmina con la producción de un cátodo metálico de alta pureza. Para saber cuáles son los conocimientos que poseen los estudiantes al respecto, formule las siguientes preguntas: Qué etapas del proceso productivo del cobre conoces? Cuál es el producto final del proceso productivo del cobre? Explique que el objetivo de la sesión es observar el funcionamiento de una celda electrolítica y reflexionar sobre las reacciones químicas bajo corriente eléctrica. El cobre recibe una serie de tratamientos que permiten llevar el mineral de desde la roca obtenida hasta un estado de cobre metálico de alta pureza.

4 docente DESARROLLO Comience la experiencia demostrando la celda electrolítica. Muestre las partes de la celda y pida que realicen una observación de cada una de las partes. Acto seguido arme el sistema y conecte el transformador a la corriente domiciliaria. Mientras la reacción toma efecto explique que las celdas electrolíticas son medios de reacción en donde está presente la participación de corrientes eléctricas. En el caso de la celda, se realiza el paso de una corriente continua de 3V (tres volts) de diferencia de potencial. Además, en la disolución acuosa se tiene una disolución de sulfato de cobre, lo cual produce un medio con iones de cobre positivos (Cu2+), o cationes, e iones negativos de sulfato (SO42-), o aniones. Pida que, mientras la celda produce los resultados, realicen un esquema de la celda y una breve explicación de su funcionamiento. Además deben realizar una predicción del resultado de la reacción. Una vez transcurrido un tiempo oportuno, pida que observen nuevamente la celda y que pongan particular atención a los electrodos de la celda. A continuación deben contestar las preguntas de reflexión propuestas. Celdas Electrolíticas Si le parece necesario, puede detenerse a explicar los conceptos de corriente continua y alterna. Reflexiones: 1. Qué cambios percibes? 2. Qué piensas que está pasando? 3. Qué contiene la solución azul que está dentro de la celda? 4. Qué cambios ocurren en las placas metálicas? Es igual para ambas? 5. La dos láminas de cobre dispuesta en forma paralela una de otra cumplen una determinada función. Cuál piensas que es? 6. Qué tipo de energía necesita esta celda para funcionar? 7. Representa (dibujando o por medio de un texto) cómo piensas que funciona esta celda electrolítica.

5 docente Pida la lectura voluntaria de las respuestas y modere la discusión generada en base a las respuestas. Para terminar solicite que, a modo de conclusión, escriban con sus propias palabras en qué consiste el fenómeno estudiado. CIERRE Explique que en la gran minería del cobre se utilizan celdas electrolíticas para generar cátodos de cobre de alta pureza. A partir de la hidrometalurgia se obtienen disoluciones de cobre en medio acuoso, muy similar a la vista en clases. El proceso electrolítico para obtener el cobre de esta disolución se conoce como electroobtención. A partir de la pirometalurgia se obtienen ánodos de cobre de baja pureza. Mediante el proceso conocido como electrorrefinación estos ánodos son transformados en cátodos de cobre, de manera similar que el ánodo de la celda estudiada en clases perdió cobre durante la reacción. Autor: Víctor Hugo Cisternas, Químico. Evaluación Solicite informe de laboratorio grupal que contenga: Introducción Materiales Hipótesis de trabajo Experimentos Reflexiones Conclusiones

6 estudiante La electricidad se une con la química: Procesos de electrólisis Recordemos el modelo atómico: Escribe a continuación todo lo que conozcas sobre las siguientes materias. Qué entiendes por átomo? De qué está formado un átomo? Cómo es posible que existan átomos neutros y átomos con carga eléctrica (iones)? Recordemos las corrientes eléctricas: Escribe a continuación todo lo que conoces sobre las siguientes materias. Qué entiendes por corriente eléctrica? Qué entiendes por ánodo y cátodo?

7 estudiante Qué sabemos sobre el proceso productivo del cobre: Escribe a continuación todo lo que sepas sobre las siguientes preguntas. Qué etapas del proceso productivo del cobre conoces? Cuál es el producto final del proceso productivo del cobre? Presta atención a la explicación del docente sobre la celda electrólitica que observarás: Después de la explicación, describe el instrumento y su funcionamiento Qué es una celda electrolítica? Observa y describe (utilizando dibujos) la celda electrolítica que usaremos en esta oportunidad.

8 estudiante Hipótesis Qué piensas que ocurrirá luego de dejar reaccionar un tiempo la celda electrolítica? Experimentación Observa el funcionamiento de la celda electrolítica. Presta atención a todos los elementos involucrados en su funcionamiento. Si consideras necesario puedes definir intervalos de tiempo regulares para las observaciones. Anota a continuación todo aquello que consideres importante y contesta las siguientes preguntas de reflexión. Reflexiones: 1. Qué cambios percibes? 2. Qué crees que está pasando? 3. Qué contiene la solución azul que está dentro de la celda?

9 estudiante 4. Qué cambios ocurren en las placas metálicas? Es igual para ambas? 5. La dos láminas de cobre dispuesta en forma paralela una de otra cumplen una determinada función. Cuál crees que es? 6. Qué tipo de energía necesita esta celda para funcionar? 7. Cómo crees que funciona esta celda electrolítica? Conclusiones: 1. Describe con tus propias palabras el fenómeno observado. Aplicaciones: 1. Qué se obtiene a partir de esta celda electrolítica? Para qué se utiliza un tratamiento de estas características en el proceso de obtención de cobre metálico?

10 estudiante Para terminar: 1. En qué consiste la etapa de electroobtención / electrorrefinación? 2. Escribe a continuación toda información o reflexión que te parezca importante durante esta clase.