PRÁCTICO 11: CELDAS GALVÁNICAS

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1 Página: 1/8 DEPARTAMENTO ESTRELLA CAMPOS PRÁCTICO 11: CELDAS GALVÁNICAS Bibliografía: Química, La Ciencia Central, T.L.Brown, H.E.LeMay, Jr., B.Bursten; Ed. Prentice-Hall Hispanoamericana, México, 7 a Edición, 1998, págs OBJETIVOS 1.1 Construir, varias celdas galvánicas o voltaicas y medir el potencial generado por las mismas. 1.2 Construir a partir de los valores de potencial medidos, una serie electroquímica con los siguientes metales Ag, Cu, Fe, Mg, Pb y Zn. 1.3 Observar la variación del potencial de una celda cuando se modifica la concentración de alguno de sus componentes. 1.4 Construir una celda de concentración con el par Cu/Cu Calcular la constante de equilibrio de una reacción química, a partir de la medida del potencial de una celda apropiada. En esta ocasión se determinará la K ps del CuCO CONCEPTOS PREVIOS En esta clase se construirán varias celdas voltaicas o galvánicas, a partir de dos semiceldas y de las conexiones apropiadas (circuito externo y puente salino). Se medirá el voltaje (o potencial) generado por las celdas con la ayuda de un voltímetro. El potencial de una celda depende entre otros factores - de la naturaleza química de los componentes de la misma y de su concentración, dependencia cuya expresión matemática es la ecuación de Nernst. En consecuencia, el potencial medido puede contrastarse con el potencial calculado utilizando esa ecuación, siempre que se conozcan los potenciales estándar de las semireacciones involucradas y las concentraciones de las especies químicas. Una forma sencilla de predecir qué reacción redox ocurrirá entre dos especies, es recurrir a una tabla de potenciales redox. Cuando dicha tabla se encuentra ordenada de acuerdo al valor del potencial de reducción de los pares suele denominársele serie electroquímica o serie de actividad. Si ordenamos los potenciales de reducción en forma decreciente, la forma oxidada de un determinado par será capaz de oxidar a la forma reducida de cualquier par que se encuentre por debajo en la serie.

2 Página: 2/8 La constante de equilibrio de una reacción puede relacionarse con el potencial estándar de la celda adecuada. La celda a utilizar estará constituida por dos semiceldas tales que la suma de las semireacciones correspondientes sea la reacción en estudio. Así por ejemplo, supóngase que se desea conocer la constante de equilibrio de la reacción representada por la ecuación (1), cuya constante de equilibrio es K. Cu 2+ (ac) + CO 3 2- (ac) CuCO 3 (s) (1) Esta reacción puede desdoblarse en dos semirreacciones una de oxidación y otra de reducción -: Cu (s) + CO 3 2- (ac) CuCO 3 (s) + 2e (2) Cu 2+ (ac) + 2e Cu (s) (3) Es posible construir dos semiceldas en las que ocurran las semirreacciones 2 y 3. La reacción total de la celda formada por estas dos semiceldas, es la reacción 1 y el potencial medido será el potencial de esa reacción en las condiciones (concentraciones) experimentales. Si la celda se construye en condiciones estándar, el potencial medido será directamente el potencial estándar, E o, de la celda. Éste se relaciona con la constante de equilibrio de la reacción mediante la ecuación: E = RT/ nf ln K A T = 298 K y utilizando logaritmos decimales, la ecuación toma la forma: E = 0,059/ n log K Obsérvese que la reacción (1) es la opuesta de la reacción cuya constante de equilibrio denominamos K ps. Es decir que la constante de producto de solubilidad del carbonato de cobre es igual a la inversa de K: K ps = 1 / K. Nota: El potencial medido de esta celda construída en condiciones estándar, no será exactamente igual al valor de E calculado a partir de valores tabulados de los potenciales estándares de las semiceldas. Esto es debido a que factores como la caída de tensión en la celda, sobrepotenciales, etc. no están siendo tenidos en cuenta en la medida.

3 Página: 3/8 3- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 3.1 Medición del potencial de varias celdas galvánicas Elaboración de la serie electroquímica Preparación de las semiceldas Las celdas se construirán en una placa de 24 pocillos, utilizándose sólo 8 de los mismos. 1) Numerar por el lado de abajo de la placa, 8 de los pocillos, según el siguiente esquema: ) Colocar en cada pocillo de la placa 2,5mL de la solución correspondiente según el siguiente cuadro: Pocillo Solución 1 Cu(NO 3 ) 2 0,1 M 2 FeSO 4 0,1 M 3 Mg(NO 3 ) 2 0,1 M 4 Pb(NO 3 ) 2 0,1M 5 AgNO 3 0,1M 6 Zn(NO 3 ) 2 0,1M 7 Cu(NO 3 ) 2 1 M 8 Na 2 CO 3 1M

4 Página: 4/8 3) Cortar un puente salino dentado según el siguiente esquema: El puente salino diseñado de esta forma conectará entre sí las semiceldas de los pocillos 1,2,3,4,5 y 6. Para ello se embeberá el mismo en una solución 1M de KNO 3 y se colocará cada uno de los dientes en uno de los 6 pocillos de la placa. De este modo tendremos interconectadas todas las semiceldas 1-6 y podremos por lo tanto medir los valores de potencial de las pilas que se forman al combinar cualquiera de estas semiceldas. 4) Conectar los pocillos 1 y 7, 7 y 8 por medio de un puente salino construído con una tirilla de papel de filtro embebida en KNO 3 1M 5) Colocar la tapa al sistema e introducir en cada una de las pocillos el electrodo del metal correspondiente a la solución que contiene Medición del potencial. Elaboración de la serie electroquímica Medir el potencial de las siguientes celdas: Zn / Zn 2+ (ac, 0.1 M) // Cu 2+ (ac, 0.1 M)/ Cu (Celda de Daniell) Zn / Zn 2+ (ac, 0.1 M) // Fe 2+ (ac, 0.1 M)/ Fe Zn / Zn 2+ (ac, 0.1 M) // Mg 2+ (ac, 0.1 M)/ Mg Zn / Zn 2+ (ac, 0.1 M) // Pb 2+ (ac, 0.1 M)/ Pb Zn / Zn 2+ (ac, 0.1 M) // Ag + (ac, 0.1 M) / Ag Para ello conectar los electrodos al voltímetro, medir el voltaje de cada celda y anotarlo. 3.2 La celda de concentración Medir el voltaje de la siguiente celda de concentración construída entre los pocillos 1 y 7, para ello unir ambos pocillos usando una tirilla de papel de filtro embebida en KNO 3 1M. Cu(s)/ Cu 2+ (ac, 0,1M) // Cu 2+ (ac, 1M)/Cu(s)

5 Página: 5/8 3.3 Efecto de la variación de la concentración en el potencial de una celda Agregar con agitación 2 gotas de solución de Na 2 S 1M a la semicelda Cu 2+ /Cu de la celda Daniell (pocillos 1 y 6). Observar la formación de un precipitado de CuS. Medir el voltaje. 3.4 Determinación de la K ps del CuCO 3 Utilizando los pocillos 7 y 8 construir la siguiente celda: Cu(s)/CuCO 3 (s)/co 3 2- (ac, 1 M) // Cu 2+ (ac,1m)/cu(s). Agregar 1 gota de una solución de Cu(NO 3 ) 2 0,1M al pocillo 8 y agitar. Nota: El agregado de 1 gota de solución de Cu 2+ 0,1M, produce la precipitación de CuCO Esto reduce la concentración de CO 3 en solución, pero lo hace en una cantidad tan pequeña que se puede considerar que [CO 2-3 ] continúa siendo 1M. Conectar ambas semiceldas mediante un puente salino (tirilla de papel de filtro embebida en KNO 3 1M). Conectar los electrodos al voltímetro. Medir el voltaje. Disposición de residuos Soluciones de cobre, zinc, plomo, magnesio, hierro y plata: Descartar en recipientes rotulados cobre, zinc, plomo, magnesio, hierro y plata para recuperar. Supensión de CuS: Descartar en recipiente rotulado CuS para descartar. Suspensión de CuCO 3 : Descartar en recipiente rotulado CuCO 3 Carbonato de cobre para descartar. Solución de cobre 1M: Descartar en recipiente rotulado Cobre 1 M para reciclar.

6 Página: 6/8 INFORME PRÁCTICO 11: CELDAS GALVÁNICAS FECHA: GRUPO: INTEGRANTES: DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS Celda Daniell Complete el siguiente diagrama de la celda Daniell. En dicho diagrama usted deberá indicar la composición de las semiceldas, cuál de los electrodos es el ánodo y cuál es el cátodo. Además, elija la flecha que muestre el sentido del movimiento de los electrones e indique el sentido de migración de los iones en el puente salino.

7 Página: 7/8 Semireacción catódica: Semirreacción anódica: Reacción total de la celda: Elaboración de la serie electroquímica Complete la siguiente tabla con los potenciales medidos. Indique cuál de las semiceldas actúa como ánodo y cuál como cátodo. Celda Zn / Zn 2+ // Cu 2+ / Cu Voltaje Medido (V) Ánodo Cátodo Zn / Zn 2+ // Fe 2+ / Fe Zn / Zn 2+ // Pb 2+ / Pb Zn / Zn 2+ // Mg 2+ / Mg Zn / Zn 2+ // Ag + / Ag Serie electroquímica: Potencial decreciente Celda de concentración Semireacción catódica: Semirreacción anódica: Expresión de la ecuación de Nernst para dicha celda: Voltaje calculado para dicha celda:

8 al II Página: 8/8 Voltaje medido para dicha celda: Efecto de la variación de la concentración en el potencial de una celda Ecuación química correspondiente a la reacción de la celda Daniell: Expresión de la ecuación de Nernst para dicha celda: Describa con una ecuación química el efecto del agregado de Na 2 S: Prediga el efecto del agregado de Na 2 S sobre el potencial medido de la celda (aumenta/disminuye): Complete la siguiente tabla con los voltajes medidos. Celda Daniell Daniell + Na 2 S Voltaje (V) Determinación del K ps del CuCO 3 Ecuación química correspondiente a la celda: Expresión general de la ecuación de Nernst para la celda en estudio: Potencial medido (estándar) de la celda: V Valor determinado de la K de la reacción global de la celda: Ecuación química de la reacción cuya constante de equilibrio es la K ps del carbonato de cobre: Valor determinado de la K ps del CuCO 3 :