Practica 4: Electroquímica: Pilas y potenciómetro

Practica 4: Electroquímica: Pilas y potenciómetro.  

Objetivos

General

∙ A partir de los conceptos básicos de las reacciones de oxidación y reducción, de la termodinámica y el equilibrio químico de estas reacciones, construir unas celdas electroquímicas.

 Específicos

∙Construir unas celdas de concentración con una serie de soluciones, tanto para ion cúprico (Cu2+(ac)), como para Cinc (Zn2+(ac)) y medir su potencial eléctrico.

∙ Emplear el voltímetro para medir las diferencias de potencial eléctrico entre dos puntos de las celdas electroquímicas.

∙ Construir el puente salino y el electrodo de referencia.

∙ Construir varias celdas electroquímicas o de Daniel, a partir de una serie de soluciones de (Cu2+(ac)) y de (Zn2+(ac)) y medir sus potenciales eléctricos.

∙ Inducir el diseño de un potenciómetro para medir potenciales electroquímicos.

∙ Describir las reacciones de óxido reducción presentes en las celdas electroquímicas construidas.

∙ Utilizar la ecuación de Nernst para calcular los potenciales de las celdas electroquímicas construidas.

Marco teórico

La electroquímica, es aquella rama de la química que se encarga del estudio de la relación que posee las corrientes eléctricas y las reacciones químicas, así mismo, de la transformación de la energía química en eléctrica y la energía eléctrica en química. Generalizando, la electroquímica es la encargada del análisis de las reacciones químicas que generan electricidad y todo lo relacionado con los fenómenos químicos generados por la acción de voltajes o corrientes eléctricas. Entre las aplicaciones más importantes de la electroquímica, está en el uso de la energía generada por reacciones químicas a través de su trasformación  como energía eléctrica, proceso que se lleva a cabo en baterías.

Las baterías poseen un voltaje que está dado por la diferencia de potencial entre los electrodos a condiciones estándar. Que a su vez, nos lleva a un proceso conocido como electrolisis que ocurre cuando se aplica una diferencia de potencial entre 2 electrodos ocurriendo una reacción llamada de óxido-reducción, que consiste básicamente en la transferencia de electrones, donde una sustancia se reduce cuando gana electrones y la otra se oxida cuando los pierde, el proceso de óxido-reducción es dependiente entre sí.

Una celda electroquímica consiste en dos conductores llamados electrodos, cada uno de los cuales está sumergido en una disolución de electrolito. En la mayoría de las, las disoluciones que rodean a los dos electrodos son distintas y deben estar separadas para evitar la reacción directa entre los reactantes. La forma más común de evitar que se mezclen es colocar un puente salino entre las disoluciones. La conducción de la electricidad de una disolución de electrolito hacia la otra ocurre por la migración de iones + en una dirección y de iones -  en la otra dirección a través del puente. Sin embargo, se evita el contacto directo entre los iones de las disoluciones (Skoog, west, 2014, Pag. 446).

Las celdas de concentración o pilas de concentración son una celda electroquímica que consta de 2 semiceldas iguales del mismo electrolito, su única diferencia son sus concentraciones. La diferencia de potencial generado por esta pila se calcula usando la ecuación de Nernst.

En una reacción de oxidación/reducción, los electrones son transferidos de un reactante hacia otro. Un ejemplo es la oxidación de los iones de hierro(II) por parte de los iones cerio(IV). La reacción es descrita por la ecuación:

Ce4+ + Fe2+ = Ce3+ + Fe3+

En esta reacción, un electrón es transferido desde el Fe2+  hacia el Ce4+  para formar iones Ce3+ y Fe3+. Una sustancia que tiene una fuerte afinidad por los electrones, como el Ce4+, se conoce como agente oxidante, u oxidante. Un agente reductor, o reductor, es una especie química, tal como el Fe2+, que dona un electrón a otra especie. Para describir el comportamiento químico representado por la ecuación, decimos que el Fe2+ es oxidado por el Ce4+; de manera similar, el Ce4+  es reducido por el Fe2+ (Skoog, west, 2014, Pag. 442-443).

La diferencia de potencial entre los electrodos de una celda es una medida de la tendencia para que la reacción pase de un estado sin equilibrio hacia la condición de equilibrio.  El potencial de celda Ecelda está relacionado con la energía libre del ∆G de la reacción mediante:

∆G = -nFEcelda

Si los reactantes y productos están en su estado estándar, el potencial de celda resultante es llamado potencial estándar de celda. Esta última cantidad está relacionada con el cambio de la energía libre estándar para la reacción y, por lo tanto, con la constante de equilibrio mediante:

DG° = -nFE°celda = -RT ln Keq

Donde  R es la constante de los gases y T es la temperatura absoluta.

Cuando consideramos una reacción química normal, hablamos de la reacción que ocurre desde los reactantes o reactivos, al lado izquierdo de la flecha, hacia los productos del lado derecho. Por la convención de signos de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC, por sus siglas en inglés), cuando consideramos una celda electroquímica y su resultado potencial, tomamos en cuenta que la reacción de la celda ocurre en una dirección determinada. La convención para celdas es llamada la regla de la derecha positiva. Esta regla implica que siempre medimos el potencial de una celda al conectar la terminal positiva del voltímetro al electrodo de la derecha en el esquema y la terminal común, o tierra, del voltímetro al electrodo de la izquierda. Si seguimos siempre esta convención, el valor Ecelda es una medida de la tendencia de la reacción de la celda para que ocurra de izquierda a derecha de manera espontánea como se escribe a modo de ejemplo a continuación:

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