PRCTICA DE LABORATORIO N 2QU-142-UNSCH

UNIVESIDAD NACIONAL DE SAN CRISTOBAL DE HUAMANGAFACULTAD DE INGENIERA QUMICA Y METALURGIADepartamento Acadmico de Ingeniera Qumica ESCUELA DE FORMACIN PROFESIONAL DE INGENIERA QUMICA

Laboratorio de Qumica AASIGNATURA: QU-142 QUMICA IIPRCTICA N 2CELDAS ELECTRLTICASPROFESOR DE TEORIA: Ing. VARGAS CAMARENA, MauroPROFESOR DE PRCTICA: Ing. CONTRERAS CARRASCO, Sabina INTEGRANTES: PREZ HUALLPA, Roel Pepe URBANO QUISPE , Noel VidalDIA DE PRCTICAS: Mircoles HORA: 7-10am MESA: AFECHA DE EJECUCIN: 18 de Abril FECHA DE ENTREGA: 25 de Abril

AYACUCHO PER

CELDAS ELECTRLTICASI. OBJETIVOS: Comprender los procesos de electrlisis para obtener gases de las soluciones acuosas y el recubrimiento de un metal con otro metal. Aplicar las leyes de Michael Faraday para poder relacionar la cantidad de carga elctrica con la cantidad de sustancia producida en los electrodos. Construir las celdas electrolticas con los materiales del laboratorio y las soluciones mencionados en la gua de prctica. Formular y balancear las reacciones qumicas que ocurre en las celdas electrolticas. El objetivo principal es comprender el proceso de conversin de la energa elctrica continua en energa qumica.

II. REVISIN BIBLIOGRFICAUna celda electroltica consta de un lquido conductor llamado electroltico adems de dos electrodos de composicin similar. La celda como tal no sirve como fuente de energa elctrica, pero puede conducir corriente desde una fuente externa denominada accin electroltica. Se usa en electro deposicin, electro formacin, produccin de gases y realizacin de muchos procedimientos industriales, un ejemplo es la refinacin de metales. Si debido al flujo de la corriente los electrodos se tornan desiguales, es posible que ocurra una accin voltaica.Es un dispositivo simple de dos electrodos, sumergido en un electrolito capaz de originar energa elctrica por medio de una reaccin qumica. Si se produce una reaccin qumica por el paso de electricidad a travs de ella, tenemos las celdas electrolticas. Cuando se combinan dos o ms celdas en serie o paralelo se obtiene una batera. El acumulador de plomo es una batera constituida por tres celdas conectadas en serie.III. MATERIALES, EQUIPOS E INSTRUMENTOS DE LABORATORIO Y REACTIVOS QUMICOS UTILIZADOS.

1 balanza de precisin 0,01 5 probetas de 50Ml 4 electrodos de grafito 2 electrodos de cobre 10 cables de conexin elctrica 6 vasos de precipitado de 250 mL 4 generadores de corriente elctrica (batera) 1 fiola de 250 mL 3 pinzas para refrigerante 1fiola de 100 mL 8 nueces 4 varillas de vidrio 1 esptulaRECATIVOS QUIMICOS: sustancias slidas y concentradosNombreFrmulaNombreFormula

cido sulfrico (concentrado)H2SO4Sulfato cprico CuSO4.5H2O

Cloruro de sodioNaCl

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL4.1.- Electrlisis del agua en medio cido:(H2SO40,1 M) Primero se llena con 200 ml de agua destilada en un vaso precipitado de 250 ml y adicionar poco a poco 5 ml de cido sulfrico concentrado y agitar la solucin acida. Llenar la solucin cida a las dos probetas de 50 ml hasta el tope. Volver a preparar 100 ml de solucin acida adicionando 2,50 ml de cido concentrado a 100 ml de agua destilada y adicionar al vaso de 250 ml. Tapar cada probeta con un pedazo de papel e introducir en la solucin acida contenida en el vaso precipitado, de tal manera que permanezca con la boca hacia abajo sostenidas con las pinzas, pero con ausencia de aire. Introducir los electrodos de grafito provistos con los cables de conexin en el interior de la probeta, debiendo permanecer dentro de ella. La unin del metal y el grafito debe estar protegido con aislante. Controle el tiempo de electrlisis y conecte los electrodos al generador de corriente continua (batera), a fin de obtener hidrogeno gaseoso en el ctodo y oxigeno gaseoso en el nodo.4.2.- Electrlisis de una solucin acuosa de NaCl concentrado Primero se llena con 200 ml de agua destilada en un vaso precipitado de 250 ml y adicionar poco a poco 10 g de cloruro de sodio y agitar la solucin salina. Llenar la solucin salina a las dos probetas de 50 ml hasta el tope. Volver a preparar 100 ml de solucin salina adicionando 5,0 g de cloruro sdico a 100 ml de agua destilada y adicionar al vaso de 250 ml. Tapar cada probeta con un pedazo de papel e introducir en la solucin salina contenida en el vaso precipitado, de tal manera que permanezca con la boca hacia abajo sostenidas con las pinzas, pero con ausencia de aire. Introducir los electrodos de grafito provistos con los cables de conexin en el interior de la probeta, debiendo permanecer dentro de ella. La unin del metal y el grafito debe estar protegido con aislante. Controle el tiempo de electrlisis y conecte los electrodos al generador de corriente continua (batera), a fin de obtener hidrogeno gaseoso en el ctodo, cloro gaseoso en el nodo y la solucin alcalina (NaOH) en el vaso.4.3.- Electrlisis de una solucin acuosa de sulfato cprico (CuSO4) Primero se llena con 200 ml de agua destilada en un vaso precipitado de 250 ml y adicionar poco a poco 5,0 g de sulfato cuprico y agitar la solucin salina. Llenar la solucin salina a una probeta de 50 ml hasta el tope. Tapar la probeta con un pedazo de papel e introducir en la solucin salina contenida en el vaso precipitado, de tal manera que permanezca con la boca hacia abajo sostenidas con las pinzas, pero con ausencia de aire. Introducir el electrodo de grafito provisto con el cable de conexin en el interior de la probeta, debiendo permanecer dentro de ella. La unin del metal y el grafito debe estar protegido con aislante. Disponer de un electrodo de cobre con la superficie metlica limpia e introducir en solucin acuosa. Controle el tiempo de electrlisis y conecte los electrodos al generador de corriente continua (batera), a fin de obtener cobre metlico en el ctodo y oxigeno gaseoso en el nodo.4.4.- electrodeposicin o recubrimiento electroltico de cobre Primero se llena con 100 ml de solucin acuosa de sulfato cprico (0,5 M) en un vaso precipitado de 250 ml. Disponer de un electrodo de cobre (nodo) con la superficie metlica limpia e introducir en solucin acuosa. Disponer de un material (moneda) a recubrir, limpia y seca. Determine la masa inicial de dicho material. Instalar como electrodo (ctodo) dicho material, debiendo introducir en la solucin de Cu++(ac) hasta la mitad de la superficie. Controle el tiempo de electrlisis y conecte los electrodos al generador de corriente continua (batera), a fin de obtener cobre metlico depositado en el ctodo. Observar las caractersticas de la superficie de los electrodos de cobre utilizado, tanto como nodo y ctodo. Secar cuidadosamente el material utilizado como ctodo y determine la masa final.

V. OBSERVACIONES, DATOS, RESULTADOS EXPERIMENTALES OBTENIDOS, ECUACIONES QUMICAS CLCULOS Y/O GRFICOS (SEGN LOS CASOS).A).-Esquema de la electrlisis de agua:

Tiempo de electrolisis:31 min Voltaje:3 V Amperaje: 1A VO2: 5 ml VH2:20ml

OBS: el hidrgeno se libera ms rpido, el oxgeno es lento en la reaccin. Cationes y aniones que contienen las soluciones electrolticas:

Catin: ion hidrgeno H+ (ac)Anin: ion sulfato SO4= (ac)Electrolito final:ion sulfato SO4= (ac)

OBSERVACIN: el ion sulfato fluye hacia el nodo, pero este ion no se oxida porque su capacidad para perder electrones (capacidad para oxidarse) es menor que la del agua, por ello que el agua es quien se oxida, generando O2 gaseoso.

Reaccin qumica que ocurre en el nodo y ctodo: nodo: 2H2O (l) O2 (g) + 4H+ (ac) + 4e- Eox = - 1,23 VCtodo: 2(2H+ (ac) + 2e- H2(g))Ered = 0,0 V Reaccin qumica redoxbalanceada en la celda: 2H2O (l)c.e O2 (g) + 2H2 (g) E.I.B Calcular el potencial o voltaje estndar mnimo de la celda (Ecelda):Ecelda = Eox(nodo) + Ered(ctodo)Ecelda= - 1,23 V + 0,0 VEcelda = - 1,23 V : reac. Redox no espontanea (celda electroltica)B).-Esquema del electrlisis NaCl:

Cl2H2

NaNa- H+

Tiempo de electrolisis:28 min Voltaje: 3 V Amperaje: 1A VCl2: 3 ml VH2:24ml

OBS: el hidrgeno se libera ms rpido, el cloro gaseoso es lento en la reaccin. Cationes y aniones que contienen las soluciones electrolticas:

Catin: ion sodio Na+Anin: ion cloro Cl-Electrolito final: solucin alcalina NaOH

OSERVACIN: el ion sodio fluye hacia el ctodo, esto significa que el ion Na+ es ms difcil de reducir que el agua, por lo que el H2 (g) procede de la reduccin del H2O (l) dando como resultado la formacin del ion hidrxido OH-y este se junta con el ion sodio para formar la solucin alcalina NaOH. Reaccin qumica que ocurre en el nodo y ctodo: nodo: 2Cl- (l) Cl2 (g) + 2e- Eox = - 1,359 VCtodo: 2H2O (l) + 2e- H2 (g) + 2OH-(ac)Ered = - 0,83 V Reaccin qumica redoxbalanceada en la celda:2Cl-(l)+ 2H2O (l)c.e Cl2 (g) + H2 (g) +2OH-(ac) E.I.B Calcularel potencial o voltaje estndar mnimo de la celda (Ecelda):Ecelda = Eox(nodo) + Ered (ctodo)Ecelda= - 1,359 V - 0,83 VEcelda = - 2,189 V : reac. Redox no espontanea (celda electroltica)C).-Esquema del electrlisis de CuSO4 (ac):

O2

Tiempo de electrolisis:40 min Voltaje: 3 V Amperaje: 1A VO2: 15 ml

OBS: El oxgeno se libera con mayor facilidad en el nodo y en el ctodo se observa la deposicin del ion cobre a metal. Cationes y aniones que contienen las soluciones electrolticas:

Catin: ion cobreCu++ (ac)Anin: ion sulfato SO4= (ac)Electrolito final: cido sulfrico H2SO4 (ac)

OBSERVACIN: el ion sulfato fluye hacia el nodo, pero este ion no se oxida porque su capacidad para perder electrones (capacidad para oxidarse) es menor que la del agua, por ello que el agua es quien se oxida, generando O2 gaseoso, el ion sulfato forma con el ion hidrgeno el cido sulfrico.

Reaccin qumica que ocurre en el nodo y ctodo: nodo: 2H2O (l) O2 (g) + 4H+ (ac) + 4e- Eox = - 1,23 VCtodo: 2(2Cu++ (ac) + 2e- 2Cu (g))Ered = + 0,337 V

Reaccin qumica redox balanceada en la celda: 2H2O (l)+ 4Cu++(ac) c.e O2 (g) + 4H+ (ac)+ 4Cu (s)E.I.B Calcularel potencial o voltaje estndar mnimo de la celda (Ecelda):Ecelda = Eox(nodo) + Ered (ctodo)Ecelda= - 1,23 V + 0,337 VEcelda = - 0,893 V : reac. Redox no espontanea (celda electroltica)

D).-Esquema del electrodeposicin electroltico de Cu:Masa de la moneda:Masa inicial = 3.53 gMasa final= 4,65 g

Masa del cobre Depositado: 1,12 g

Tiempo de electrolisis:40 min Voltaje: 3 V Amperaje: 1A

OBS:la masa del electrodo de cobre (nodo) se reduce debido a que los tomos de cobre se oxidan pasando a la solucin en forma del ion Cu++(ac)y la masa del ctodo (moneda) aumenta debido a que el ion Cu++(ac) se reduce pasando a ser slido y se deposita en la superficie de la moneda. Cationes y aniones que contienen las soluciones electrolticas:

Catin: ion cobre Cu++ (ac)Anin: ion sulfato SO4= (ac)Electrolito final: H2O (l)(neutro), el ion SO4= (ac)(anin

Reaccin qumica que ocurre en el nodo y ctodo: nodo: Cu (s)Cu++ (ac) + 2e- Eox = - 0,337 VCtodo: Cu++ (ac) + 2e- 2Cu (s)Ered = + 0,337 V Reaccin qumica redox balanceada en la celda:Cu(s)+Cu++(ac) c.e Cu++(ac)+ Cu(s)E.I.B Calcularel potencial o voltaje estndar mnimo de la celda (Ecelda):Ecelda = Eox(nodo) + Ered (ctodo)Ecelda= - 0,337 V + 0,337 VEcelda = 0,0 V :reac. Redox neutraOBSERVACIN: la concentracin del ion Cu++ es constante en la solucin electroltica, este tipo de procesos electrolticos se usa ms en la electro refinacin y en la electrodeposicin.

VI. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES En la electrlisis de una solucin se mide con precisin el volumen de los gases hmedos con un porcentaje mnimo de error. Se recomienda prestar atencin al momento de realizar la prctica. Tener en cuenta que los electrodos deben estar limpio, fuera de los xidos para que haga la reaccin completa. Tener en cuenta que el aire debe estar ausente dentro de la probeta contenida con la solucin. con la realizacin de este trabajo concluyo de cmo las celdas electrolticas generan reacciones redox no espontaneas, debido a que contienen electrodos inertes y activos, y soluciones concentradas. Una celda electroltica est formado por dos semiceldas, donde convierten la energa elctrica en energa qumica.VII. CUESTIONARIO

7.1.- Cuntos moles de oxigeno e hidrogeno se producen durante la electrolisis de agua acidulada con cido sulfrico, cuando se utiliza una corriente de 5,0 A, durante 1,0 hora y 10 minutos? Qu volumen, en litros, de gases secos se producen en condiciones normales y de laboratorio (t = 18C y p = 540 mmHg)?A CONDICIONES NORMALESa).-volumen para oxigeno:nodo: 2H2O (l) O2 (g) + 4H+ (ac) + 4e- Ctodo: 2(2H+(ac) + 2e- H2(g)) 2H2O(l) + 4H+(ac) O2(g) + 4H+(ac) + 2H2(g)T = 0C + 273,152H2O (l) c.eO2 (g) + 2H2 (ac)T = 273,15 Ko2=PE (o2)=Patm = Pgas + PvH2O(0C)o2 =PE(o2)=Po2 =760mmHg 4,58 mmHgo2 = 1,74 gPE(o2) =Po2(seco)= 755,42mmHgn(o2)= Vo2(seco) = n(o2)= Vo2(seco) = n(o2)= 0,05 mol Vo2(seco) = 1,13 Lb).- volumen para hidrogeno:H2 =PE(H2)= PH2 =760mmHg 4,58 mmHgH2 =PE(H2)= PH2(seco)=755,42mmHg H2 =PE(H2)=n(H2)= n(H2)= n(H2)= VH2 (seco) = VH2(seco) = VH2 (seco) = A CONDICIONES DEL LABORATORIOa).-volumen para oxigeno:o2 = 1,74 gn(o2)= 0,05 mol T = 18C + 273,15Patm = Pgas + PvH2O (18C)T = 291,15 KPo2 =540mmHg 15,477mmHgPo2 (seco)= 524,5mmHgVo2(seco) = Vo2(seco) = Vo2(seco) = Vo2(seco) = b).- volumen para hidrogeno:H2 = 0,22 gn(o2)= 0,11 mol T = 291,15 KPgas = Patm- PvH2O (18C)PH2 = 540mmHg 15,477mmHgPH2 (seco) =524,5mmHgVH2(seco) = VH2(seco) = VH2(seco) = VH2(seco) = 3,81 L

7.2.- Cuntos amperes deben circular durante 1 hora para producir un gramo de metal de:a).- Ag a partir de Ag+: Ag+ (ac) + 1e- Ag(s)(Ag) = # eq-g = t = 1 h 3600 s1 g = # eq-g = (Ag) = 1 g I = I = 0, 25 A# eq-g = b).- Cu a partir de Cu+2: Cu++ (ac) + 2e- Cu(s)(Cu) = # eq-g = # eq-g = 1 g = # eq-g = (Cu) = 1 g I = I = 0, 84 Ac).- Al a partir de Al+3: Al+3 (ac) + 3e- Al(s)(Al) = # eq-g = # eq-g = 1 g = # eq-g = (Al) = 1 g I = I = 2,98 A

7.3.- calcule el peso de oro depositado durante la electrolisis de sulfato de oro (III) con un corriente de 0,80 A, durante 12 horas. Cunto deber durar dicho proceso de electrolisis para producir 2,0 litros de oxigeno, recogidos sobre agua 20C y 550 mmHg de presin?

a).- para calcular la masa de oro: Sol. Acuosa: Au2 (SO4)3nodo: 3(2H2O (l) O2 (g) + 4H+ (ac) + 4e-)Ctodo: 4(Au+3 + 3e- Au(s))6H2O (l) + 4Au+3 c.e 3O2 (g) + 12H+ (ac) + 4Au(s) I =0,8 A(Au) = PE(Au) = t = 12 h 43200 s(Au) = PE(Au) = =(Au) =

b).- calcular el tiempo para 2 L de O2: T = 20C + 273,15 = 293,15 K n(O2)= Patm = Pgas + PvH2O (20C)n(O2)= x Po2 =550mmHg 17,54mmHgn(O2)= Po2 (seco)= 532,46mmHg

PE(O2) = (O2)= n(O2) x PM(O2) PE(O2) = (O2) = 0,058 mol x 32 g/mol PE(O2) = (O2) = 1,86 g(O2) = 1, 86 g = t = =28045, 3 st = 28045, 3 s x t = 7, 8 horas

7.4.- el cobre se purifica industrialmente por electrlisis. El cobre impuro acta como nodo, mientras que el ctodo es de cobre puro. Los electrodos se sumergen en una disolucin de CuSO4. Durante le electrolisis, el cobre del nodo entra a la disolucin como Cu+2, en tanto que los iones Cu+2 se reducen en el ctodo. a). - escriba las reacciones de semicelda y la reaccin global para este proceso electroltico. CuX(s): cobre impuro (99%)nodo:CuX(s) (99%) Cu++ (ac) + 2e-Ctodo:Cu++ (ac) + 2e- Cu(s) (99,99%): cobre puroCuX(s) (99%) +Cu++ (ac) Cu++ (ac) + Cu(s) (99,99%)(Blister) (Electrorrefinado)b).- suponga que el nodo estaba contaminado con Zn y Ag. Explique que le sucede a estas impurezas durante la electrolisis.nodo: CuZn CuAg: llamados cobre blster, el Zn y Ag son impurezas, estos metales no se oxidan por lo tanto se depositan debajo del nodo (se conocen como lodos andicos), estos lodos se recogen peridicamente del fondo de las cubas.c).- Cuntas horas llevara obtener 2,0 lb de Cu con una corriente de 15,0 A?(Cu) = (Cu) = 2 lb x=907,18 g907, 18 g = # eq-g = = t = s # eq-g = t = 183672,4 s x t = 51,02 horas7.5.- El recubrimiento de cromo se aplica por electrlisis a objetos suspendidos en una disolucin de dicromato, de acuerdo con la siguiente semirreacin (no balanceada):Cr2O7= (ac) + H+ (ac) Cr(s) + H2O (l)Cunto tiempo (en horas) tomara aplicar un recubrimiento de cromo de 5,0 x 10-2 mm de espesor a la defensa de un auto, cuya rea superficial es de 0,50 m2, en un celda electroltica en la que pasa un corriente de 20,0 A? (la densidad de cromo es de 7,19 g/cm3) Cr2O7= (ac) + 14H+ (ac)+ 12e- 2Cr(s) + 7H2O (l) E.I.B

V = A x espesor (Cr) = D (Cr) x VV = 0,5 m2 x 5x10-2mm x (Cr) = 7,19 x 2,5 x 10-5 m3V = 2,5 x 10-5 m3 (Cr) = 7,19 x 2,5 x 10-5m3 x 106cm3/m3(Cr) = 7,19 g x 2,5 x 10-5 x 106 PE(Cr) = (Cr) = 17,975 x 101g PE(Cr) = (Cr) = 179,75 g PE(Cr) = (Cr) = 179, 75g = t = st = s x t =

VIII. BIBLIOGRAFIA

1. BROWN, T. L., H.E. Y BURSTEN, B.E. (1993) .Qumica la ciencia central. Mxico: Prentice-Hail. Hispanoamericana. Quinta Edicin.2. Chang, Raymond. (1998). Qumica. Mxico: McGraw-Hill. Sexta Edicin.Whitten, K. W., Davis R.E. y Peck, M. L. (1998). Qumica General. Espaa: McGraw-Hill. Quinta edicin.3. Petrucci, R. H. (1977). Qumica general. Mxico: Fondo Educativo Interamericano.4. Instituto de ciencias y humanidades; Qumica, anlisis de principios y aplicaciones; 3era ed. lumbreras editores; Tomo II, lima-Per, 2008.