voltametría cíclica

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Page 1: Voltametría Cíclica

VOLTAMETRÍA CÍCLICA. APLICACIÓN A RESIDUOS

INDUSTRIALES

Introducción

Las incalculables ventajas que surgen de la gran cantidad de materiales de todo

tipo fabricados por la industria química tienen su contrapartida en otros aspectos más

negativos. De entre estos, se ha de destacar por su importancia la producción de

residuos contaminantes. La creciente sensibilidad de la opinión pública ante este tema

ha conducido a un auge de las investigaciones y al empleo de técnica cada vez más

refinadas para la reducción o eliminación de los contaminantes. En este sentido,

determinadas técnicas electroquímicas se pueden utilizar para el tratamiento de los

residuos. Entre ellas podemos destacar la oxidación o reducción directa, la

electrocoagulación y la electroflotación.

La electrocoagulación y la electroflotación se aplican principalmente a aguas

residuales muy cargadas, sobre todo con coloides muy finos, que necesitarían la adición

de gran cantidad de agente floculante en los tratamientos químicos convencionales. En

la electrocoagulación se impone un campo eléctrico sobre el sistema a tratar de forma

que los coloides, que poseen gran carga superficial, se desplazan por efecto de ese

campo con lo que aumenta la probabilidad de que se unan entre sí (floculación). De

hecho este proceso suele mejorarse usando ánodos solubles que dan lugar a iones, que a

su vez, neutralizan las cargas de los coloide de manera que estos floculan más

rapidamente.

La electrofloculación consiste en la formación de microburbujas de oxígeno por

electrólisis del agua en electrodos inertes. Las microburbujas arrastran consigo hacia la

superficie (donde se pueden separar como espumas) algunas de las sustancias nocivas.

Generalmente, la electroflotación se combina con la electrocoagulación con lo que se

obtienen rendimientos muy elevados en la eliminación de residuos. Estos dos métodos

producen unos buenos resultados en lo que se refiere a DQO, DBO, decoloración,

esterilización, de aguas.

Page 2: Voltametría Cíclica

Para la optimización de los tratamientos anteriores se han de realizar estudios

previos que también son de tipo electroquímico. Así, si se quiere emplear una oxidación

o reducción directa se ha de conocer el rango de potencial más apropiado. La

voltametría cíclica, que es el objetivo de esta práctica, es la técnica más apropiada para

este tipo de investigaciones.

La voltametría cíclica

Una de las modernas técnicas experimentales electroquímicas que muestra la

mayor flexibilidad y, por consiguiente, se emplea con frecuencia en el estudio de

sistemas electroquímicos es la voltametría cíclica. La voltametría cíclica informa acerca

de los procesos redox que experimenta una determinada especie en un rango dado del

potencial eléctrico. Sus aplicaciones más importantes son de tipo analítico y para la

determinación de velocidades y de mecanismos de reacción a través de los procesos

detectados. Una ventaja de esta técnica es su sencillez así como también la rapidez con

la que se pueden hacer las medidas pertinentes.

Básicamente, la voltametría cíclica introduce una perturbación en la disolución

electrolítica no agita que se haya en las inmediaciones de un electrodo estacionario

pequeño (electrodo de trabajo), observándose la respuesta correspondiente. La

perturbación es una señal cíclica de potencial y la respuesta son variaciones en la

intensidad.

Los barridos de potencial pueden tener lugar hacia potenciales cada vez más

negativos (barridos de avance), produciéndose procesos de reducción, o hacia

potenciales más positivos (barridos inversos) en los que tienen lugar oxidaciones. Cada

oxidación o reducción se refleja como un pico del voltagrama. Los picos suelen

aparecer por parejas (oxidación y reducción correspondientes).

Los parámetros más importantes de un voltagrama son las intensidades de pico

anódica y catódica (para cuya medida se requiere una buena determinación de la línea

base) y lospotensiales de pico anódico y catódico (Epa y Epc, respectivamente). Las

Page 3: Voltametría Cíclica

intensidades son importantes cuando la voltametría cíclica se usa en su faceta

electroanalítica. Aquí, nos centraremos más en los potenciales.

La voltametría cíclica permite la determinación de potenciales formales. El

potencial medido es igual al potencial formal cuando las concentraciones de las formas

reducida y oxidada son iguales. En el voltagrama esto corresponde a:

El potencial formal es la suma del potencial normal y un término de coeficientes

de actividad que varía según las sustancias presentes en la disolución y sus

concentraciones. Hay que indicar que siempre se debe añadir un electrolito de soporte

en gran cantidad a la disolución para prevenir la migración de iones o sustancias de

interés lejos del electrodo de trabajo. Para una mejor estimación de ese potencial, se

pueden realizar barridos a distintas velocidades (cuanto mayor es la velocidad, mayor es

la intensidad registrada). Entonces, los máximos de picos anódicos se pueden unir entre

sí formando una recta cuyo punto de corte con el eje de abcisas (potenciales) dará Epa.

Lo mismo se hace con los picos catódicos para Epc.

Otra información relevante que se puede extraer de los potenciales es la

reversibilidad o no del proceso electroquímico. Se dice que el proceso es reversible si se

cumple que:

Si la separación entre los picos es mayor se dice que el proceso es cuasi-reversible.

Cuando llega a ser tan extrema que el pico anódico y el catódico no se solapan en

absoluto sobre el eje de potenciales se habla de un proceso electroquímicamente

irreversible. A veces, aparece solamente el pico anódico o el pico catódico. La

reversibilidad depende, en algunos casos, de la velocidad a la que se lleve a cabo el

barrido.

Parte experimental

El objetivo de esta práctica es llevar a cabo la voltametría cíclica el

hexaclorobenceno, una sustancia muy parecida químicamente a un residuo habitual y

peligroso como es el policloruro de bifenilo. Antes de realizar esa voltametría, se

Page 4: Voltametría Cíclica

estudiará el sistema redox ferricianuro-ferrocianuro con dos finalidades primordiales:

acostumbrarse al manejo del aparato y comprobar su buen funcionamiento.

El sistema ferricianuro-ferrocianuro

El sistema redox ferricianuro-ferrocianuro corresponde a la semirreacción.

En la que el hierro (II) acomplejado con cianuro (anión hexacianoferrato (III) o

ferricianuro) experimenta una reducción que da lugar al complejo de hierro (II) (anión

hexacianoferrato (II) o ferrocianuro) a pesar de su sencillez, éste es un sistema de gran

importancia y se ha estudiado en profundidad.

En esta práctica se va a hacer un estudio del sistema, trabajando con varias

disoluciones de ferrocianuro de potasio con el objeto de precisar si existe algún

problema en el funcionamiento del sistema experimental.

En concreto se debe prepara una disolución 6mM ferricianuro potásico y 1M en

nitrato potásico. Una vez preparada la disolución se transfiere a la célula electroquímica

y se monta e sistema de tres electrodos. El de trabajo y el auxiliar con electrodos de hilo

de platino y el de referencia de Ag/AgCl saturado. A continuación se llevan a cabo tres

barridos de avance consecutivos entre los potenciales de cambio -0.2 y -0.8 V para cada

una de las velocidades 50, 100, 150, 200 y 300 mV/s.

Estudio de la reducción del hexaclorobenceno

En el rango de potenciales adecuado, el hexaclorobencen sufre una serie de

reducciones consecutivas en las que los átomos de cloro son sustituidos por átomos de

hidrógeno. De acuerdo con lo que se ha indicado, para cada reacción se ha de observar

un pico. La reducción es irreversible por lo que el voltagrama no exhibirá picos de

oxidación.

El voltagrama se va a realizar en medio no acuoso, por lo que cabría preguntarse

cual es la fuente de átomos de hidrógeno. A este respecto hay que indicar que por muy

bien que se haya secado el disolvente siempre contendrá una pequeña cantidad de agua.

Page 5: Voltametría Cíclica

En algunos casos, los propios disolventes pueden actuar como fuentes si son ácidos de

Bronsted (alcoholes, cetonas, etc.).

Se han de preparar 50mL de una disolución 1.1m en hexaclorobenceno y 0.05M

en perclorato de litio (u otro electrolito soporte adecuado) empleando como disolvente

dimetilformamida. La voltametría tiene lugar ahora entre-1.3 y -3 V. como antes se

realizan tres barridos a 200mV/s de velocidad. Los electrodos de referencia y auxiliar

son los mismos de la experiencia anterior pero el electrodo de trabajo ha de ser de

carbón vitrificado.

Resultados

Preparación de disoluciones:

Ferrocianuro potásico 6mM :

PM=329.25g/mol

0,0988g

KNO 3

PM=101,11g/mol

5,0555g

Gráficas de la voltametría. El sistema ferricianuro-ferrocianuro

50 mV/s

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

-0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Page 6: Voltametría Cíclica

100 mV/s

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

-0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

150 mV/s

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

-0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

200mV/s

-3

-2

-1

0

1

2

3

-0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Page 7: Voltametría Cíclica

250mv/s

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

-0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

300mV/s

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

-0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

mV/s 50 100 150 200 250 300Pcatodo(V) 0,29 0,287 0,291 0,303 0,301 0,295Pánodo(V) 0,205 0,21 0,205 0,208 0,203 0,207

Media del Pcatodo = 0,2945 V

Media del Pánodo = 0,2063 V

Page 8: Voltametría Cíclica

Estudio de la reducción del hexaclorobenceno

-6.000

-5.000

-4.000

-3.000

-2.000

-1.000

0

-3.000 -2.500 -2.000 -1.500 -1.000 -500 0

Puntos V1punto -1,4132punto -1,6183punto -1,8994punto -2,165punto -2,402

Cuestiones

1. Calcule el potencial del sistema redox ferricianuro-ferrocianuro y

compruebe si es reversible o no.

Para comprobar si el sistema es o no reversible tenemos que aplicar la siguiente

fórmula:

Siendo Epc el potencial del pico catódico, Epa el potencial del pico anódico y n el

número de electrones que se ponen en juego en la reacción redox (1 en nuestro caso).

Para hallar dichos potenciales tenemos que usar el voltagrama. Se puede hacer de

dos modos:

Page 9: Voltametría Cíclica

- hallar el potencial a cada velocidad y luego obtener la media de las 5

velocidades distintas,

- hallar directamente la media de las cinco velocidades.

Tanto si se hace de un modo u otro se hace con una regla, que se pone vertical al

eje del voltaje y desplazando la recta sobre el voltagrama hasta encontrar el máximo

más o menos a ojo.

En nuestro caso los voltajes de nuestro pico catódico y anódico son 0,2945 V y

0,2063 V respectivamente.

Con estos datos ya podemos aplicar la fórmula anterior:

0,2945 – 0,2063= 0,088 V

0,059 / 1 = 0,059 V

Luego podemos decir que el proceso es cuasi-reversible, ya que la diferencia entre

los picos es bastante parecida a 0,059.

2. Sabiendo que el valor bibliográfico E0`Red/Oxi = 0,25 V (frente al

electrodo de plata-cloruro de plata saturado). ¿Funciona

correctamente el dispositivo experimental?

= 0,2504 V

Como hemos podido comprobar el resultado de E0`Red/Ox = 0,2504 V por lo que si

se puede decir que el dispositivo funciona correctamente.

3. Determine el potencial de reducción para cada sustitución sucesiva de

cloro por hidrógeno.

Puntos V1punto -1,4132punto -1,6183punto -1,8994punto -2,165punto -2,402

Page 10: Voltametría Cíclica

4. ¿Se podría utilizar la voltametría cíclica para eliminar compuestos

como el hexaclorobenceno? ¿Por qué? ¿cual sería el principal

inconveniente práctico?

Con la voltametría cíclica hemos comprobado que sí que se produce la reducción

de los cloros, pero esta técnica no se puede aplicar a nivel industrial para eliminar

residuos porque es una técnica estática, necesitaría agitación.

5. Explique las razones por las que se usa un sistema de tres electrodos

(trabajo, referencia y contraelectrodo).

El electrodo de trabajo es el lugar donde se produce la reacción en estudio y está

acoplado a un electrodo no polarizable, el electrodo de referencia. Este sistema de dos

electrodos es adecuado para medir potenciales de equilibrio, pero a densidades de

corriente altas aparece una sobretensión, con lo que es necesario acoplar otro electrodo,

el electrodo auxiliar o contraelectrodo.

En este sistema el contraelectrodo se conecta con el electrodo de trabajo a través

de un circuito polarizante (por ejemplo, una fuente externa) mediante el que se hace

pasar una corriente controlada que produce alteraciones del potencial del electrodo de

trabajo. El electrodo de referencia debe tener un potencial estable y reproducible, y

durante el experimento no ha de pasar corriente a través de él para que su potencial

permanezca constante.

Por tanto, el electrodo de trabajo es el electrodo de estudio, el de referencia es el

que tomamos como base para medir el potencial relativo del electrodo de trabajo y el

contraelectrodo es el que hace que pasa corriente por el electrodo de trabajo y además

evita que se polarice el electrodo de referencia.