1 Nombres de los integrantes: Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química Laboratorio de Química General I Grupo Equipo Práctica 10 Problema Qué condiciones experimentales de intensidad de corriente (A) y de tiempo (s), se requieren para generar las moles de electrones necesarias para obtener en el laboratorio, 20 ml de hidrógeno por electrólisis del agua? Tarea Previa 1. Escribe la reacción de la electrólisis del agua 2. Escribe la semireacción que se lleva a cabo en el cátodo? 3. Escribe la semireacción que se lleva a cabo en el ánodo? 4. Qué dice la ley de los volúmenes de Avogadro? Materiales y Reactivos Aparato de Hoffman Fuente de poder y caimanes Pinzas de tres dedos 300 ml de Na 2 SO 4 1M 2 hojas de papel milimétrico Agua destilada Indicador universal
2 Procedimiento experimental 1. Utilice un aparato de electrólisis de Hoffman y colóquelo de modo que la parte frontal del equipo esté dirigida hacia usted. Vea la figura 1. 2. Abra la llave de los tubos a y b de la siguiente manera: sujete con una mano el tubo a la altura de la llave y con la otra gire la llave. 3. Llene el aparato con una disolución acuosa de sulfato de sodio (1M) por el extremo D, inclínelo hacia ambos lados para liberar el aire atrapado. Siga agregando más disolución hasta que ésta alcance el nivel cero en la escala de tubos a y b. En caso de que la disolución se pase del nivel indicado, es imprescindible retirar el exceso. Para esto extraiga el sobrante de la disolución que se encuentra en el tubo c, con ayuda de una pipeta. 4. Conecte el electrodo que se encuentra en la salida b, a la terminal negativa (cátodo) de una fuente de poder, con ayuda de unos caimanes. Conecte el electrodo que se encuentra en la salida del tubo a, a la terminal positiva (ánodo) de la fuente de poder. El dispositivo completo se muestra en la figura 1. 5. Lea el instructivo de la fuente de poder que va a utilizar y asegúrese de su buen funcionamiento. 6. Asegúrese que tres de sus compañeros tengan listo cada uno un cronómetro. Encienda la fuente de poder. Ajuste el valor de la intensidad corriente en un valor que le indique el profesor y con las llaves abiertas, deje que se lleve a cabo la electrólisis durante medio minuto. Mantenga el mismo valor de intensidad de corriente hasta acabar las mediciones. Registre en la tabla 1, la temperatura y la presión del lugar del trabajo. 7. En forma simultánea cierre las llaves y haga funcionar los tres cronómetros. Detenga uno de ellos cuando el volumen de gas haya llegado a 3 ml en el tubo que está conectado a la terminal negativa. Registre en la tabla 1 el tiempo de su cronómetro. En el momento en que el volumen de gas haya llegado a 6 ml detenga el segundo cronómetro y registre el tiempo. El tercer cronómetro se detendrá cuando el volumen de gas llegue a 9 ml, registre también este tiempo. 8. Observe la relación de volúmenes los gases (hidrógeno y oxígeno) en cada uno de los tubos del aparato. 9. Ahora establezca un valor arbitrario para la intensidad de corriente y efectúe la electrólisis del agua. Mida el tiempo requerido para obtener los mismos volúmenes de gas hidrógeno. Registre sus resultados en la tabla 2. 10. Repita el experimento, desde el paso 3, agregando una gota de Indicador Universal previamente a la disolución de sulfato de sodio. 11. Repita el experimento, desde el paso 3, con agua destilada.
3 Figura 1 Tabla 1 Volumen de H 2 obtenido (ml) Tiempo (s) Intensidad de corriente (A) Tabla 2 Volumen de H 2 obtenido (ml) Tiempo (s) Intensidad de corriente (A)
4 Cuestionario 1. Durante el experimento se llevo a cabo la reacción de electrólisis del agua, escriba la ecuación balanceada que responde a este proceso. Qué gases se formaron durante el experimento? ECUACIÓN: 2. Por qué se utilizó una disolución acuosa de sulfato de sodio en vez de agua? Sufre alguna alteración el Na 2 SO 4 durante el experimento? Por qué? 3. Cuál es la función de la corriente eléctrica en el experimento? 4. Cómo es la relación de los volúmenes de los gases obtenidos en el experimento? Por qué? 5. En el tubo que está conectado a la terminal negativa tuvo lugar la semirreacción de reducción, qué gas se produjo? 6. Qué gas se obtiene en el tubo que está conectado a la terminal positiva? Por qué? 7. Qué proporción existe en los tiempos requeridos para generar los volúmenes de gas hidrógeno solicitados en el inciso 7? 8. Qué proporción existe en los tiempos requeridos para generar los 3 volúmenes de gas hidrógeno solicitados en el inciso 9? 9. Trace en la hoja de papel milimétrico las gráficas de volumen (ml) (ordenadas) en función del tiempo (s) (abscisas) para ambos casos. a) Por qué para volúmenes similares se requiere de tiempos diferentes?
b) Existe para cada uno de los volúmenes obtenidos en ambos casos, alguna relación entre el tiempo requerido para obtenerlos y la intensidad de corriente aplicada? 10. Calcule en cada caso el número de coulombios que se utilizaron para generar los volúmenes de gas hidrógeno que se le solicitaron. Recuerde que el ampere (A) es la unidad de intensidad de corriente eléctrica y puede relacionarse con el coulombio (C) que es la unidad de carga eléctrica, de la siguiente manera: 1A=1C/s. Registre sus datos en la tabla 3. 5 11. Calcule la cantidad de gas hidrógeno (moles) producido en cada caso. Considérelo como gas ideal. Registre sus datos en la tabla 3. Qué relación encuentra en los datos obtenidos?
6 12. Escriba la ecuación balanceada de reducción del agua (los productos son H 2 y OH - ) y calcule la cantidad de electrones (moles) que se necesitaron para generar los volúmenes de gas hidrógeno obtenidos. Registre sus datos en la tabla 3. ECUACIÓN: Tabla 3 Volumen de H2 (ml) Intensidad de corriente (A) Tiempo (s) Carga eléctrica (C) Cantidad de H2 (mol) Cantidad de electrones (mol) 3 * 3 ** 6 * 6 ** 9 * 9 ** * Indique el valor de la intensidad de corriente que asignó el profesor. ** Indique el valor de la intensidad de corriente que usted seleccionó.
13. Qué relación encuentra entre la cantidad de electrones requeridos para generar cada uno de los volúmenes de gas hidrógeno solicitados? 14. Trace la gráfica volumen (ordenadas) en función de la cantidad de electrones (abscisas). 15. Establezca el tipo de relación que existe entre las dos variables graficadas. 16. Calcule la carga que se requeriría para generar un mol de electrones para cada uno de los casos estudiados. Registre sus datos en la tabla 4. 7 17. Calcule el número de electrones que corresponde a la carga utilizada para generar un mol de electrones. Recuerde que la carga de un electrón es de 1.6022 x 10-19 C. Registre sus datos en la tabla 4.
8 Tabla 4 Volumen de hidrógeno obtenido (ml) Cantidad de H 2 (mol) Cantidad de electrones (mol) Carga para generar un mol de electrones (C/mol) Número de electrones en un mol 18. Qué relación encuentra con la constante de Avogadro? 19. Qué volumen ocuparían los 3, 6 y 9 ml de gas hidrógeno obtenidos en el laboratorio, en condiciones normales (0 o C y 1 atm)? 20. Con base en la cantidad de electrones requeridos para obtener los volúmenes en condiciones normales, calcule el volumen que se obtendría al utilizar 1 mol de electrones.
21. Qué relación encuentra entre el volumen que acaba de calcular y el volumen molar? Justifique su respuesta con base a la reacción de reducción del agua. 22. Escriba la reacción de oxidación del agua. ECUACIÓN: 9 23. Qué volúmenes de gas oxígeno se obtienen cuando se generan 3 ml, 6 ml y 9 ml de gas hidrógeno? 24. Haga los cálculos necesarios para calcular la constante de Avogadro a partir de 3 ml de gas oxígeno generado. 25. Qué condiciones experimentales de intensidad de corriente (A) y de tiempo (s), se requieren para generar la cantidad de electrones necesarios para obtener en el laboratorio, 20 ml de gas hidrógeno por electrólisis del agua? Conclusiones
10 INSTRUCTIVO PARA USO DE LA FUENTE DE PODER PARA LA PRÁCTICA DE LA CONSTANTE DE AVOGADRO (ELECTRÓLISIS DEL AGUA). La Resistencia de la fuente de poder es aproximadamente R 55.5 Ω. La indicación ON significa que hay que apretar el botón correspondiente y que la luz de ese botón esté encendida. Conectar y encender la fuente de poder con el botón Power ON. Los siguientes botones tienen que estar encendidos: Output protect ON. Es importante que este botón esté encendido ya que protege a la fuente de poder de cualquier anomalía. +18 V ON. Variable ON. A ON, ajustar con el botón el valor de amperaje deseado y sumarle + 0.05. V ON, al prender este botón, el botón de amperaje se apaga, ajustar con el botón el valor de voltaje que se obtiene con la siguiente fórmula: V = R I. Tracking ON. Output ON, al encender este botón la fuente de poder empieza a funcionar, y se debe ajustar con la perilla el valor de voltaje hasta llegar al valor de amperaje deseado (al cambiar el voltaje cambia el valor del amperaje ya que el equipo completo tiene un valor de resistencia diferente al de la fuente de poder). Una vez hecho esto se puede empezar a realizar el experimento. Hacer las mediciones. Output OFF. La fuente de poder deja de funcionar pero sigue encendido el aparato. Cuando se hace una medición y están parpadeando las luces, significa que el valor de amperaje o voltaje están incorrectos. Una vez terminada la práctica, apague la fuente de poder, Power OFF, y desconecte el equipo de Hoffman. Para realizar esta práctica es importante la concentración de la disolución de Na2SO4, a menor concentración se obtiene un Amperaje menor, y a mayor concentración se obtiene un Amperaje mayor. Para obtener valores de 0.2 A y menores, utilizamos una concentración 1 M de Na 2 SO 4.