CÁTEDRA: QUÍMICA GUÍA DE LABORATORIO Nº8 PARTE A: ELECTRÓLISIS DE KI EN SOLUCIÓN PARTE A: ELECTRÓLISIS DE KI PARTE B: PILA DE DANIELL

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1 CÁTEDRA: QUÍMICA GUÍA DE LABORATORIO Nº8 PARTE A: ELECTRÓLISIS DE KI PARTE B: PILA DE DANIELL PARTE C: CORROSIÓN PARTE A: ELECTRÓLISIS DE KI EN SOLUCIÓN OBJETIVOS: - Efectuar la electrólisis de un electrlit en slución acusa. - Observar el cmprtamient de la slución y ls electrds durante el prces. - Identificar ls prducts de la electrólisis e inferir la naturaleza de las transfrmacines que tienen lugar. - Interpretar, pr medi de ecuacines parciales de xidación y reducción ls prcess que han tenid lugar. - Cnstruir un generadr de crriente eléctrica, pila de Daniell y medir la diferencia de ptencial que prduce. Aplicar la Ecuación de Nernst PRERREQUISITOS: 1. Cncer nmenclatura química y tería iónica. 2. Cncer ls fundaments de ls fenómens Redx. CONCURRIR AL LABORATORIO CON PROPIPETA, 6 CLAVOS DE Fe (un dblad y tr dañad) BATERIA DE 9V, ALGODÓN, CABLES CONDUCTORES, LIJA, PINZA, TRAPO, DETERGENTE Y VOLTÍMETRO (si tiene) INTRODUCCIÓN TEÓRICA La electrquímica es la rama de la química que se cupa del estudi de ls intercambis entre energía química y eléctrica en s pilas galvánicas y la cnversión de energía eléctrica en energía química en cubas electrlíticas. La Electrólisis es un prces mediante el cual una crriente eléctrica prvca la realización de reaccines químicas n espntáneas cuand pasa a través de la slución de un electrlit; estas reaccines químicas pueden ser desprendimient de un gas, depósit de un metal, dislución de un electrlit, etc. Para permitir el pasaje de la crriente eléctrica a través de la slución, se intrducen ds trzs de metal denminads electrds, ests se cnectan a una fuente externa de crriente. El recipiente que cntiene la slución se llama Cuba electrlítica. La fuente externa de crriente batería ejerce la función de bmbear electrnes desde el electrd psitiv (Ánd) al electrd negativ (Cátd) y de dirigir ls ines hacia ls electrds. De este md, la crriente de electrnes está acmpañada pr una separación de ls electrnes del ánd y su transferencia a través del cnductr extern hacia el cátd. Ls ines cn carga psitiva (+) en la slución van hacia el cátd dnde tman ls electrnes, se reducen y se llaman catines, generalmente sn ines hidrógen (H + ) u átms de un metal; sea, se prduce el depósit de un metal desprendimient del gas hidrógen. Química FI UNPSJB 2015 Página 183

2 Me n+ + ne - Me O 2 H + + 2e - H 2 A la inversa ls ines cargads negativamente (-) van hacia el ánd dnde ls electrnes sn separads se xidan y se llaman anines. Si el anión es el ión hidróxid se desprenderá xígen gases, si es un halógen se desprenderá también cm gas. MATERIALES NECESARIOS: Tub en "U" de vidri cn sprte. Ds electrds de grafit Batería de 9 Vlts Cables cnductres Slución de almidón Fenlftaleína KI 0,5M ESQUEMA: 2 OH - 1/2 O 2 + H 2 O + 2e - 2 Cl - Cl 2 + 2e - PROCEDIMIENTO: 1. Clcar la slución de KI en el tub en U hasta 1 cm pr debaj de cada tubuladura. 2. Cnectar a cada electrd de grafit ls cables cnductres, clcar ls electrds en las ramas del tub en U. 3. Cerrar el circuit cn la batería y hacer circular la crriente durante 10 minuts aprximadamente. 4. Registrar ls cambis de clr y apariencia que se prduzcan en el ánd y cátd. 5. Descnectar la fuente, retirar ls electrds y bservar si han cambiad de aspect, percibir el lr, particularmente el del ánd 6. Agregar fenlftaleína (indicadr ácid base que es inclr si el medi es ácid y fucsia, si es básic) en el cátd y slución de almidón (indicadr de yd) en el ánd. El yd y el almidón Química FI UNPSJB 2015 Página 184

3 reaccinan dand un clr azul scur muy característic que se atribuye a la frmación de un cmplej de almidón-yd en el ánd. HEMIRREACCIONES: En el cátd: 2 H 2 O + 2 e - H OH - En el ánd: 2 I - I e - PARTE B: PILAS (TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA QUÍMICA EN ELÉCTRICA INTRODUCCIÓN TEÓRICA Cm se sabe si en una slución de un sistema redx se intrduce un metal inatacable p.ej.: platin, se establece una diferencia de ptencial eléctric entre la slución y el metal, que se puede explicar cm la tendencia de ls electrnes a pasar de la slución al metal, se dice que se establece un ptencial de electrd. Si tmams ds sistemas redx y ls unims cerrand un circuit eléctric, estams cnstruyend un generadr de crriente eléctrica; la magnitud de esta crriente dependerá de la diferencia de ptencial existente entre ls ptenciales de electrd de cada un de ls sistemas redx. Hems cnstruid una pila. La energía liberada pr una reacción redx espntánea puede usarse para realizar trabaj eléctric. Esta tarea se cumple pr medi de una vltaica (pila), un dispsitiv en el que la transferencia de electrnes tiene lugar a l larg de un camin extern, y n directamente entre ls reactivs. Un ejempl de vltaica es la pila de Daniell, dispsitiv que cnsiste en un electrd de Zn sumergid en una slución de ZnSO 4 y un electrd de Cu sumergid en una slución de CuSO 4. Las slucines están separadas pr un tabique prs puente salin que permite el pas de ls ines a través de él. Cuand se cnectan ambs electrds hay un fluj cntinu de electrnes que salen del electrd de Zn hacia el electrd de Cu a través del alambre extern y un fluj de ines a través de la slución cm resultad de las reaccines de óxid-reducción espntáneas que tienen lugar en ls electrds. El electrd de Zn es el ánd y el de Cu es el cátd. Debid a que ls electrnes fluyen del ánd al cátd, el ánd de una vltaica se rtula cn un sign negativ, y el cátd, cn un sign psitiv. La diferencia de ptencial entre ls ds electrds de una vltaica prprcina la fuerza mtriz que mueve ls electrnes a l larg del circuit extern. Pr cnsiguiente, a esta diferencia de ptencial se le llama fuerza electrmtriz fem y se mide en vlts (V). La fem prducida pr una vltaica se denmina ptencial estándar de la ε si las cncentracines de tds ls ines sn 1M, las presines parciales de ls gases sn 1 atm y la temperatura de la es 25 C. Se calcula a partir del ptencial de reducción estándar de cada electrd ε que manifiesta la tendencia a adquirir electrnes del mism. Entnces es psible cnsiderar que la fem de la pila es la resultante de ds simples ptenciales de electrd. Cm sabems ests ptenciales de electrds Química FI UNPSJB 2015 Página 185

4 n se determinan en frma absluta, per si se determinan respect a un electrd nrmal de hidrógen (electrd de referencia) tmand su valr igual a 'cer'. ε sus tan cia que se reduce ε En el cas de la pila cnsiderada: ε + + ε. Cu Cu sus tan cia que se xida En tda reacción de que se lleva a cab espntáneamente, cm la de una vltaica, el Gº es negativ y el ptencial de psitiv. La dependencia de la fem de respect de la cncentración se btiene a partir de la dependencia del cambi de energía libre respect de la cncentración. La ecuación de Nernst ns permite hallar la fem que una prduce en cndicines n estándar. RT ε ln Q, nf se acstumbra representar esta ecuación en términs de lgaritms (cmunes de base 10): ε Zn Zn 2,3RT lg nf Dnde: ε = Ptencial del sistema que se quiere calcular (Vltis) = á = Ptencial estándar del sistema [ Re d] [ Oxid ] T = Temperatura absluta en K R = Cnstante universal de ls gases (8,3 jule/ K-ml) F = Númer de Faraday ( Culmb) n = Númer de electrnes que pasan de la frma reducida a la xidada viceversa. [ Ox ] = Cncentración mlar de la frma xidada del sistema. Re d = Cncentración mlar de la frma reducida del sistema. [ ] 2,3RT 0, 059 = Para tds ls sistemas a 25 C depende sl del númer de electrnes transferids nf n Una PILA se representa esquemáticamente así: Zn / [Zn ] =..Mlar // [Cu ] =.Mlar / Cu Hemipila semipila Hemipila semipila La barra simple representa la unión el cntact sólid-líquid, la dble barra representa la unión líquid-líquid de la placa prsa. Pr cnvención la cncentración de una sustancia sólida pura se cnsidera siempre igual a la unidad. Lueg entnces, pr cnvención se calcula el vltaje de una pila cm el ptencial de electrd escrit a la derecha mens el ptencial de electrd escrit a la izquierda en la expresión de la pila; si ests ptenciales sn de reducción. La reacción de la PILA DE DANIEL es: Zn + Cu Cu + Zn 25 C, la ecuación de Nernst en este cas quedaría: pr l que si trabajams a Química FI UNPSJB 2015 Página 186

5 ε ε cátd Cu Cu ε ánd ε Zn 0 Zn Cu 0 / Cu 0,059 lg 2 0 [ Cu ] lg [ Cu ] [ Zn ] [ Cu ] 0,059 0 ε Zn 2 / Zn 0,059 + lg 2 [ Zn] [ Zn ] = MATERIALES NECESARIOS 2 vass de precipitad de 100 ml Algdón Tub en frma de U Vltímetr Lámina de Cu y lámina de Zn de 1/2 cm de anch y 6 cm de larg bien pulidas Ds cables cnductres cn pinzas ccdril en ls extrems REACTIVOS CuSO 4 1M ZnSO 4 1M Slución saturada de NaCl KCl PROCEDIMIENTO: 1. Clcar en un vas de precipitad slución de CuSO 4 1M y en tr slución de ZnSO 4 1M hasta aprximadamente la mitad. 2. Intrduzca en el vas cn slución de CuSO 4 la lámina de Cu y en la que cntiene la slución de ZnSO 4 la lámina de Zn 3. Cnecte la lámina de Zn al pl negativ del vltímetr y la de cbre al psitiv cn ls cables cnductres cm muestra la figura y ante la lectura del vltímetr. Observará que la aguja del vltímetr se mantiene en el cer de la escala indicand que n circula crriente prque el circuit está abiert. 4. Llene el tub en U cn la slución de NaCl y tape cada extrem de él cn algdón. 5. Invierta el tub en U e intrduzca un extrem en la slución de CuSO 4 y el tr en la ZnSO 4, cm muestra la figura cuidand que n quede aire en su interir. 6. Ante la lectura del vltímetr. La aguja del instrument marcará una división distinta de cer, indicand que circula crriente eléctrica, prque el circuit se cerró al clcar el tub en U, que cnstituye l que se llama puente salin. ESQUEMA Química FI UNPSJB 2015 Página 187

6 PARTE C: CORROSIÓN INTRODUCCIÓN TEÓRICA El términ crrsión se aplica al prces que altera destructivamente un material cuand éste reaccina químicamente cn una sustancia determinada, ya sea líquida, sólida gasesa. En el cas de ls metales, la destrucción se prduce pr la acción de agentes atmsférics (aire, humedad) pr efect del agua slucines de ácids, bases sales. N bstante, la causa fundamental del prces es electrquímica y cnsiste en la cesión de electrnes del metal a trs átms ines. La diferencia de ptencial se rigina cuand distintas znas del metal presentan características distintas en cuant a ls efects maquinales, aspect superficial, etc. Pr ejempl, un metal parcialmente sumergid en agua, recubiert en un sectr pr suciedad, mientras que tr está limpi; puede currir también que haya sldaduras cn el mism u tr metal que generen pares galvánics. Pr tdas las raznes apuntadas, una zna del metal se cnvierte en ánd y tra, en cntact cn ella, pera cm cátd. En la mayría de ls cass de crrsión, ls prducts sn inslubles y pueden presentarse ds cass: a. Se prducen escamas pc adherentes (Fe 2 O 3 ) b. Se prducen sustancias que impiden la cntinuación del ataque (Al 2 O 3 ). En el agua en slucines neutras y en presencia de xígen la crrsión electrlítica puede interpretarse de la siguiente manera: Reacción anódica Me Me +n + ne - Reacción catódica H 2 O + 1/2 O 2 + 2e - 2 OH - Se puede apreciar en las hemirreaccines anterires que ls ines hidróxid se acumulan en el cátd. En el presente trabaj se verificará el fenómen en distintas cndicines y se esbzará una psible slución para alguns cass. PASIVADO: En el cntext de crrsión, pasivación es la frmación espntánea de una película superficial n reactiva dura que inhiba la crrsión adicinal. Esta capa es generalmente un óxid una sal del metal base, que cm cualidad debe estar firmemente adherid a la base y ser impermeable para evitar el pasaje del electrlit. Baj cndicines nrmales de ph y cncentración de xígen la pasivación se cnsidera en ls materiales tales cm alumini, hierr, cinc, magnesi, cbre, acer inxidable, titani, y silici. Alguns metales tienen una tendencia natural al pasivad, trs cm el hierr generan una capa de xid que frma cn el metal base un par galvánic en el cual el hierr resulta el más electrnegativ (ánd) y pr l tant favrece su destrucción. Además, esta capa de xid es escamsa, fácilmente desprendible de la base y expansiva cn l cual arrastra las capas de prtección del hierr (pinturas, recubrimients, etc). Si bien el xid de hierr natural n puede cnsiderarse cm métd de pasivad, existen métds artificiales para btener el pasivad del hierr. Química FI UNPSJB 2015 Página 188

7 El ácid nítric ataca a la mayr parte de ls metales, inclus a la plata y al cbre. Las únicas excepcines sn ls metales nbles: r, platin e iridi. Alguns metales, cm el hierr, el crm y el alumini n sn atacads prque se pasivan, es decir, se frma una fina capa de óxid que prtege al metal del ataque del ácid. Cn el cinc pasa alg similar, per finalmente la capa de óxid es atacada pr el ácid nítric. En tds ls cass tienen lugar reaccines redx: el ácid nítric es un ptente xidante (alt ptencial de reducción) y el metal se xida: 3 Fe + 2 NO H 3 O + 3 Fe NO + 12 H 2 O El mnóxid de nitrógen es inclr, per reaccina cn el xígen del aire y frma NO 2 de clr marrón. Pr qué pasivar el hierr? 1. Prque previene la crrsión extendiend la vida útil del mism. 2. Prque elimina el hierr libre de la superficie. Este hierr libre cataliza reaccines de degradación cuand va cm cntaminante en preparacines disminuyend el períd de vida útil de las mismas. PROTECCIÓN CATÓDICA La Prtección Catódica (PC), es una técnica para cntrlar la crrsión galvánica de una superficie de metal cnvirtiéndla en el cátd de una electrquímica Es muy utilizada en las actividades navales para prteger estructuras sumergidas y estructuras csteras. Se utiliza también ampliamente para prteger ls interires de ls tanques de almacenamient de agua El métd más sencill de aplicar la PC es mediante la cnexión del metal a prteger cn tr metal más fácilmente crríble al actuar cm ánd de una electrquímica. Un ánd galvánic, también llamad ánd de sacrifici, si se cnecta eléctricamente a una estructura sumergida descargará una crriente que fluirá a través del electrlit hasta la estructura que se pretende prteger. Teniend en cuenta la Serie Electrquímica de ls metales, un metal tendrá carácter anódic cn relación a tr, si se encuentra pr encima de él en esta serie. Así, pr ejempl, el hierr será anódic respect al cbre y catódic respect al zinc. El metal que actúa cm ánd se sacrifica (se disuelve) a favr del que actúa de cátd, pr es a este sistema se le cnce cm prtección catódica pr ánd de sacrifici. MATERIALES NECESARIOS 6 clavs de Fe (un de ells dblad y dañad) Cristalizadr Papel de lija de gran fin Alambre de Cu 3 tubs de ensays Alambre de Zn cinta de Mg REACTIVOS HNO 3 8 M H 2 SO 4 1 M Slución de fenlftaleína NaCl al 3% m/v K 3 (Fe(CN) 6 ) 0,1% m/v Química FI UNPSJB 2015 Página 189

8 PROCEDIMIENTO A. CÓMO HACER PASIVO EL HIERRO? 1. Limpiar cn papel de lija la superficie de ls clavs y lavarls cn agua. 2. Clcar HNO 3 en un de ls tubs de ensays e intrducir un clav atad. Dejarl durante 2 minuts 3. Sacarl y lavarl cn agua. Indicar la bservación en el infrme y la interpretación del prces currid mediante ecuacines. 4. Clcar H 2 SO 4 en ls trs ds tubs. Rtularls. Clcar un clav limpi en un de ls tubs y en el tr el clav anterir que estuv cn HNO 3. Señalar la diferencia de cmprtamient y las prbables raznes. B. CORROSIÓN EN EL AGUA 1. Clcar en el cristalizadr la slución de NaCl y de K 3 Fe(CN) 6 (hexacian ferrat (III) de ptasi) en partes iguales y 5 ó 6 gtas de fenlftaleína. 2. Arrllar firmemente el alambre de Cu a un clav de Fe. 3. Arrllar tr clav cn cinta de Mg. 4. Intrducir ambs clavs en el cristalizadr, teniend la precaución que n se tquen. 5. Clcar en el cristalizadr para la bservación un clav sin mdificacines ni aditament y tr, dblad y dañad cn las pinzas. 6. Ntar ls cambis de clr y de apariencia en ls clavs y en el medi que ls rdea. Señalarl en el infrme crrespndiente. Si se bservara la aparición de un clr azul intens es debid a la presencia del cmpuest denminad azul de Turnbull, Fe 3 [Fe(CN) 6 ] 2 que permite recncer la presencia de ines Fe 2+. PREGUNTAS 1. En la electrólisis ls catines se reducen u xidan, en cuál electrd? 2. Que es l que asegura la cntinuidad de la crriente en la electrólisis? 3. Escribir las reaccines de xidación y reducción que se prducen en la electrólisis de la slución de ydur de ptasi. 4. Indicar cuáles de las siguiente hemirreaccines sn de xidación y cuáles de reducción: a. 2 Cl - Cl 2 + 2e - b. Cu e - Cu c. SO OH - SO H 2 O + 2e - d. Ag + Ag e. Cu Cu Definir xidación y reducción 6. Pr qué agrega fenlftaleína en el ánd y almidón en el cátd en la electrólisis? 7. Cuál es el valr del vltaje esperad en la pila de Daniell? Pr qué n se btiene? 7. Escribir la reacción catódica de crrsión en el agua 8. Definir crrsión Química FI UNPSJB 2015 Página 190

9 CÁTEDRA: QUÍMICA INFORME DE LABORATORIO Nº8 TEMA: PARTE A Y B: ELECTRÓLISIS DE KI Y PILA DE DANIELL APELLIDO Y NOMBRE:... COMISIÓN:... FECHA.../.../... RESULTADO:... ELECTRÓLISIS DE KI 1.- Esquema del equip emplead indicand el nmbre de cada cmpnente: 2. Observacines.. 3. Reaccines: Reacción anódica:... Reacción catódica:... Reacción ttal.. PILA DE DANIEL 4. El Ptencial de la pila medid cn el vltímetr es : La expresión para el ptencial de la pila de acuerd a la ecuación de Nernst es:... Cncentración [Zn ] =... Cncentración [Cu ] =... Calcular el ptencial de la pila.v 6. Cnclusión:... Química FI UNPSJB 2015 Página 191

10 CÁTEDRA: QUÍMICA INFORME DE LABORATORIO Nº8 TEMA: PARTE C: CORROSIÓN APELLIDO Y NOMBRE:... COMISIÓN:... FECHA.../.../... RESULTADO:... A. Observacines:... Interpretación y ecuacines:... B. Realice un esquema del recipiente utilizad, mstrand cn clr las znas afectadas, clcar ptenciales de reducción de cada hemirreacción y para la reacción ttal Observacines: CLAVO (DERECHO) SIN PROTECCION Escriba las ecuacines químicas que interpreten el prces y ls Ptenciales estándar de las mismas: CLAVO TORCIDO Y DAÑADO Escriba las ecuacines químicas que interpreten el prces y ls ptenciales estándar de las mismas: CLAVO RODEADO POR ALAMBRE DE COBRE Escriba las ecuacines químicas que interpreten el prces y ls ptenciales estándar de las mismas: CLAVO CON ALAMBRE DE CINC O CINTA DE MAGNESIO Escriba las ecuacines químicas que interpreten el prces y ls ptenciales estándar de las misma: Cnclusión: Química FI UNPSJB 2015 Página 192