Electroquímica , determinar la modificación del voltaje obtenido en una pila Daniell

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1. Introducción

La historia de la electroquímica nace con el descubrimiento de Galvani, al pasar electricidad por las ancas de una rana. Más tarde, Alessandro Volta proporciona su aporte con la pila voltaica, que impulsó la revolución industrial. A mediados del siglo XIX, la electroquímica dio un vuelco con la introducción de las leyes de la electrólisis de Faraday, y la construcción de la pila Daniell, (en la cual se basará esta investigación) así como en el modelamiento matemático de las pilas de hidrógeno realizado por Nernst.

Más recientemente, la electroquímica fue la base para el descubrimiento de la carga del electrón por Millikan y la formulación de la teoría ácido-base de Brønsted-Lowry.

La electroquímica es una de las muchas áreas de la química con múltiples aplicaciones. Uno de sus principales empleos es la detección de patógenos en el sector primario y en el medio ambiente. Los dispositivos electroquímicos usados son capaces de detectar e incluso cuantificar patógenos presentes en fluidos biológicos, nutrientes y espacios ambientales, a causa de su efecto en el organismo y en el medio que le rodea.

La electroquímica también ha sido crítica en la evolución de la salud mundial y el entendimiento y estudio del cuerpo humano. Por ejemplo, el desarrollo del electrocardiógrafo y el marcapasos son de suma relevancia para un entendimiento profundo y un control ante posibles enfermedades del corazón. En este mismo campo, también se descubrió el corazón artificial que posee varios beneficios a los necesitados de esta tecnología a partir de una batería y un mecanismo de emergencia con batería extra.

Cabe destacar en el aspecto negativo, que los procesos electrolíticos poseen la desventaja de los costos del transporte de grandes masas de metales, y la fabricación de grandes áreas de electrodos para que el proceso sea rentable.

Siempre he tenido gran interés en la química de las fuentes de energía y la electricidad. Sin embargo, no fue hasta hace poco cuando descubrí la electroquímica. En ese instante, me decidí a investigar y profundizar en el tema. En la asignatura de química he aprendido las bases de los procesos electroquímicos, pero debido a mi interés por estos procesos me decidí a explorarlos ampliamente para mi investigación personal.

El objetivo de mi investigación será determinar la modificación del voltaje obtenido en una pila Daniell cuando se varía la proporción de Q, (el cociente o relación entre las concentraciones de [Zn2+]/ [Cu2+]), a través de la modificación de la concentración de la disolución de CuSO4, para después comparar el valor del voltaje obtenido con el de Eº (condiciones estándar)  

El montaje va a consistir en la construcción de una pila Daniell mediante dos electrodos de Cu y Zn sumergidos respectivamente en dos disoluciones de CuSO4 (de concentración variable) y ZnSO4 (0.1M). La unión entre ambas disoluciones se realizará a través de un puente salino, y conectando a ambos electrodos y constituyendo el circuito exterior se empleará un cable con un voltímetro para medir el voltaje producido.

1. Contexto teórico

1.  Ecuaciones de oxidación-reducción

Una reacción redox está compuesta por dos procesos: reducción y oxidación. Ambas reacciones se pueden describir de diferentes maneras:

• En términos de la transferencia de electrones.
• En términos del estado de oxidación.

1. En términos de transferencia de electrones

En términos de la transferencia de electrones nos encontramos con la oxidación misma oxidación del magnesio, esta vez perdiendo electrones; y la reducción del oxígeno, ganando electrones:

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1.  En términos del estado de oxidación

En términos de los números de oxidación, la oxidación describe un proceso en el cual el número de oxidación aumenta, y la reducción describe uno en el que el número de oxidación disminuye.

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En la ecuación redox anterior, el número de oxidación del Calcio aumenta de 0 a +2, por lo que se oxida; y el estado de oxidación del Cl2 disminuye de 0 a -1 por lo que se reduce.

1.  La pila Daniell

1.  Concepto de celda electroquímica

En una celda electroquímica ocurren conversiones entre energía química y eléctrica. Las celdas usadas para este estudio son celdas galvánicas o voltaicas, que se caracterizan por convertir energía química en energía eléctrica. Una celda electroquímica está constituida por dos semiceldas, de manera que los electrodos de cada una de ellas se unen mediante de un cable y las disoluciones a través del puente salino.

El puente salino suele ser un tubo de vidrio en forma de U invertida lleno de una disolución salina concentrada, cuyos extremos están cerrados con un material poroso que permite el contacto entre ambas disoluciones, pero que impide que fluya el líquido. Su misión además de cerrar el circuito, es a través de la migración de sus iones, restaurar la la neutralidad eléctrica de dichas disoluciones.

1.  Electrodos

Los electrodos son barras de metal que al encontrarse sumergidas en una disolución iónica del mismo metal pueden producir las siguientes reacciones:

                                                             M+n     Oxidación [pic 7]

                                                             M+n   + n→  M (s)  Reducción[pic 8]

Las células electroquímicas poseen dos electrodos: el ánodo y el cátodo. En el ánodo, se lleva a cabo la oxidación mientras que la reducción ocurre en el cátodo. En las pilas galvánicas el ánodo constituye el electrodo negativo y el cátodo el polo positivo, fluyendo los electrones desde el polo negativo al polo positivo.

1.  Reactividad

La tabla de actividad clasifica a los metales según la facilidad que tienen para experimentar la oxidación. Se recogen los datos en la siguiente tabla^[1]:

Figura 1: reactividad de los metales [pic 9][pic 10]

El Voltaje de una pila es la diferencia de potencial entre las dos semiceldas fácilmente medible con el Voltímetro

Sin embargo estos potenciales de semicelda no se puede establecer con precisión de forma individual sino que se tienen que determinar en relación con un electrodo de referencia que es el electrodo estándar de Hidrógeno al que se asigna de manera arbitraria un potencial estándar de Eº=0V.Para determinar el potencial estándar las especies iónicas en disolución deben presentar una concentración 1 M y los gases una presión de 1 atm y ambos casos a 25ºC.

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