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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS. PRÁCTICA 2: LEYES DE FARADAY NOMBRE Calva Rubio Miriam Itzel Carrasco Maldonado Yesenia García Pérez Isela María Terrazas Guzmán Israel

FIRMA

Laboratorio de electroquímica y corrosión Departamento de Ingeniería Química Petrolera Profesor: Ing. Roberto Casillas Muñoz

EQUIPO 2 2PM51

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OBJETIVOS GENERALES: 1° Aplicar de manera experimental las leyes que rigen la electrolisis. 2° Aprender a utilizar los tres tipos de Coulombímetros (Peso, Volumen y Titulación) 3° Calcular la eficiencia para cada Coulombimetro

OBJETIVOS ESPECÍFICOS: 1° Comprobar las dos leyes de la electrolisis: • Primera: Si la masa de una sustancia depositada es directamente proporcional a la cantidad que pasa a través de una solución • Segunda: Para una cantidad de electricidad la masa de una sustancia depositada es directamente proporcional a su peso equivalente 2° Aprender a utilizar los tres tipos de Coulombímetros (Peso, Volumen y Titulación) y conocer que la nominación que se les da a cada uno, es dependiendo del método de determinación cuantitativa que se utiliza.

3° Obtener mediante experimentación los valores que nos ayuden a conocer mediante cálculos los valores de la eficiencia para cada Coulombímetro.

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MARCO TEÓRICO Dos leyes básicas rigen la electrolisis y fueron descubiertas y enunciadas por Michael Faraday, en 1834: Primera: La masa de una sustancia depositada o liberada en un electrodo mediante electrolisis, es directamente proporcional a la cantidad de electricidad que pasa a través de la solución. Segunda: Para una cantidad de electricidad dada, la masa de una sustancia depositada o liberada durante la electrolisis, es directamente proporcional a su peso equivalente. Al paso de 96 485.3384 C/g eq (96 485.3383 C/mol), conocida esta cantidad como la constante de Faraday (F), se produce un gramo equivalente de la sustancia formada en el electrodo. Estas leyes son validad para los productos Primarios de la electrolisis, siendo estas sustancias las obtenidas directamente de la transferencia de electrones en la interface metal/solución. Las leyes se aplican tanto a soluciones electrolíticas como a sales fundidas, y son independientes de la temperatura y presión. De acuerdo con estas leyes, las masas de los productos de la electrolisis están relacionadas con la cantidad de corriente que se hace pasar por la celda electrolítica. En la practica la carga total consumida durante la electrolisis se calcula con la siguiente ecuación. Q=∫_0^t▒I(t)dt Al mantener el amperaje constante tenemos: Q=It [=] C (coulomb) La constante de Faraday (F), es equivalente a la carga asociada con una cantidad unitaria de electrones (unidades de C/mol), es decir es igual al producto de la constante de Avogadro, Na y la carga unitaria del electrón, q: F=qN_A=96485.3383 C/mol Las leyes de Faraday nos dan un valor teórico de la masa producida por una cantidad específica de carga que pasa. Existen numerosas causas para la desviación del valor teórico, y las causas pueden considerarse como: 1) algo de la carga se consume en procesos parásitos; 2) no se consumen todos los reactivos; 3) el proceso electroquímico no es el proceso que realmente ocurre; o 4) algo de material solido se desprende. Bajo ciertas circunstancias las desviaciones pueden 3

dar una pista de los procesos parásitos, pero más frecuentemente las desviaciones proveen una medida de la eficiencia del proceso. Particularmente, cuando se efectua la llamada “electrolisis del agua” se producen los gases de H2 y O2 en una proporción volumétrica 2:1, mezcla conocida como “gas detonante” y si se considera su formación a condiciones normales cuando se hacen pasar 96500 C es posible establecer la siguiente relación: I C produce 0.174〖cm〗^3 de mezcla de gas detonante H_2 y O_2 (2:1) Como producto de las reacciones electroquímicas sobre los electrodos se pueden producir sustancias solidas como el depósito de Cu (a), el desprendimiento de un gas; H2,O2, Cl2 (b), la oxidación o reducción de un ion que permanece en solución (c), la conversión de un metal en un ion (d) o la producción de un líquido €, como se muestra en las siguientes reacciones: 〖Cu〗^(++)+2e^- □(→┬ ) Cu H^++1e^- □(→┬ ) □(1/2) Cu

(a) (b)

〖Fe〗^(++) □(→┬ ) 〖Fe〗^(+++)+1e^- (c) Ag□(→┬ ) 〖Ag〗^++1e^〖2I〗^+ □(→┬ ) I_2+2e^-

(d) (e)

A escala laboratorio se dispone de un sistema electroquímico que permite medir con precisión la cantidad de producto primario y se conoce como COULOMBÍMETRO, pudiendo ser: de peso, de volumen o de titulación, nominación que se les da dependiendo del método de determinación cuantitativa que se utiliza para los productos de las reacciones de óxido – reducció

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DESARROLLO EXPERIMENTAL Secar y pesar las láminas de cobre Lavar y lijar las Preparar los láminas de cobrecoulombimetros

Agregar solución de Coulombimetro de sulfato de cobre

Agregar solución de NaOH, colocar el Coulombimetro coulombimetro volumétrico Con el succionador, llenar hasta la marca Coulombimetro Agregar de solución de titulación yoduro de potasio

Conectar los tres coulombimetros en serie Registrar voltaje e Conectar a una FEM intensidad cada 30 seg

Pesar el ánodo

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Cuando en el coulombimetro volumétrico llegue a la marca, apagar la FEM

Preparar una solución Agregar 3 gotas de de tiosulfato 0.1N almidón Verter la solución del coulombimetro de titulación en un vaso de precipitados

Medir el volumen gastado

SUSTANCIA

MATERIALES Y REACTIVOS FUNCIÓN 6

Titular, vire de café a transparente

SULFATO DE COBRE

HIDROXIDO DE SODIO

YODURO DE POTASIO

TIOSULFATO MATERIAL

Forma cristales azules, solubles en agua y metanol, Es usado para baterías eléctricas, recubrimientos de cobre ácido por electrodeposición Base química, se usa para fabricar jabones, crayón, pape, explosivos, pinturas y productos de petróleo. También se usa en el revestimiento de óxidos, galvanoplastia y extracción electrolítica. Sal cristalina, es un reductor débil, es fácilmente oxidado por otros elementos, se utiliza para yodometría y otras técnicas analíticas. Se utiliza como reactivo o solución volumétrica (con una normalidad de 0,10584) para análisis cuantitativos o valoraciones. FUNCIÓN Metal de transición, buen conductor de electricidad

COBRE Es una celda electrolítica y la medición es hecha por el eso del COULOMBIMETRO elemento depositado o liberado DE PESO en el cátodo en un tiempo específico.

COULOMBIMETRO VOLUMETRICO

Contiene una disolución de hidróxido de sodio y electrodos de platino.

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El voltámetro de Hofmann se utiliza como una demostración de los COULOMBIMETRO principios estequiométricos, DE TITULACIÓN como la razón de los volúmenes de los gases hidrógeno y oxígeno Su función es succionar un líquido. Se suele utilizar para las pipetas y para SUCCIONADOR los cuentagotas.

CAIMANES

Los más pequeños a menudo se usan para las puntas de los dispositivos de pruebas.

TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES Volumen inicial ΔVolumen Masa inicial del electrodo de Cu Masa final del electrodo de Cu

11.3ml 9.6ml 14.2632g 14.2759g 8

Intensidad de corriente Tiempo Normalidad del tiosulfato PM Cu

.06A 11.22min 0.1N 63.5g/mol

SECCIÓN DE CÁLCULOS - COULOMBÍMETRO DE PESO Nomenclatura: Mr = masa real [=] g Mt = masa teórica [=] g I = Intensidad [=] A t = tiempo [=] s ɳ = Eficiencia [=] % F = Constante de Faraday [=] C/g-eq. = 96500 C/g-eq PA Cu = Peso atómico del Cobre [=] g/g-eq = 63.54 g/g-eq. Qp = Carga real [=] C E.Q.= Equivalente Químico [=] g/g-eq. z = valencia

Qp=I∗t=( 0.06 A )∗( 673.2 s ) Qp=40.3920 C

E .Q .=

PA = z

g geq .

63.54 2

=31.77

g geq .

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Mr = 0.0127 g

Mt=

ɳ=

I ∗t∗E .Q . = F

( 0.06 A )∗( 673.2 s )∗(31.77

g ) geq .

g 96500 geq .

Mr 0.0127 g × 100= × 100=95.5033 Mt 0.0133 g

Reacciones llevadas a cabo * Disociación −¿+ H 2 O 2+¿+ SO ¿4 CuS O 4 + H 2 O →Cu¿ * Redox −¿ → Cu(so ) 2+¿+2 e ¿ Cu¿ −¿ + ¿+SO ¿4 ¿ H 2 S O4 → 2 H

−¿ 1 +¿+ O +2 e¿ 2 2 H 2 O→ 2 H ¿

- COULOMBÍMETRO DE VOLUMEN

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=0.0133 g

Nomenclatura: V1 = Volumen a condiciones de la Ciudad de México [=] mL V real = Volumen corregido a CN [=] mL P = Presión de la Ciudad de México [=] mmHg = 585 mmHg Pv = Presión de vapor [=] mmHg = 18 mmHg I = Intensidad [=] A t = tiempo [=] s ɳ = Eficiencia [=] % T = Temperatura Ambiente [=] ºC = 25ºC V real=

V 1∗( P−Pv )∗273 ( 9.6 mL )∗( 585 mmHg−18 mmHg )∗273 = =6.6732 mL ( T +273 )∗(760) ( 25+ 273 )∗(760)

V teo.=0.174∗Qp=0.174∗40.3920 C=7.0282 mL

ɳ=

V real 6.6732 mL × 100= × 100=94.9492 V teo 7.0282 mL

Reacciones llevadas a cabo * Disociación −¿ +¿+OH ¿ NaOH → Na¿ * Redox

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o

−¿ → Na + H 2 O +¿+1 e ¿ Na¿ −¿ +¿+OH ¿ H2O → H¿

-COULOMBÍMETRO DE TITULACIÓN Reacciones

1)

−¿ +¿+ OH ¿ −¿+ H ¿ +¿+ I ¿ KI + H 2 O→ K ¿ 1 ↑ 2 H2 +¿+ 1e ¿ H¿

−¿ → 2)

3)

−¿+ 1/2 I 2 −¿ →1 e ¿ I¿ mRI =Vg Tiosulfato ( N Tiosulfato ) ( EQ ) EQ=

127 =127 1

mRI =2ml ( .1 N ) ( 127 )=25.4 mgr=.0254 gr mT =

40.392 ( 127 ) =.05315838 gr 96500

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η=

.0254 mgr ∗100=47.7817 .0531 mgr

TABLAS DE RESULTADOS

COULOMBÍMETRO Masa Real [=] g Masa Teórica [=] g COULOMBÍMETRO Volumen Real [=] mL Volumen Teórico [=] mL

DE PESO 0.0127 0.0133 DE VOLUMEN 6.6732 7.0282

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DE TITULACIÓN 0.0254 0.0532

COULOMBÍMETRO RENDIMIENTO [=] %

DE PESO 95.5033

DE VOLUMEN 94.9492

DE TITULACIÓN 47.7817

OBSERVACIONES Primero preparamos la experimentación armando el sistema de culombímetros, hubo un poco de dificultad en hacer subir la solución en el culombímetro de volumen. Lijamos los electrodos para después pesarlos y anotar la masa inicial y los pusimos el culombímetro de peso. Medimos el volumen inicial del culombímetro de volumen y lo registramos. Se conectó el sistema a una fuente de corriente directa y registramos cada 30 segundos el voltaje y la intensidad de corriente. Después de apagar la corriente directa procedimos a preparar una solución 0.1 normal de tiosulfato para después titular el Iodo y medir el volumen gastado del tiosulfato para realizar los cálculos. Medimos el volumen final del electrodo de cobre para medir la cantidad de masa depositada.

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CONCLUSIÓN POR: Calva Rubio Miriam Itzel El arreglo en serie de los distintos coulombimetros, de peso, de titulación y volumétrico, se rige por las leyes de Faraday, en este arreglo se hace pasar una cantidad de electricidad por los tres coulombimetros. En el coulombimetro de peso la solución de sulfato de cobre también contenía ácido sulfúrico y alcohol, el ácido tiene la función de evitar el depósito de óxido cuproso, mientras que el alcohol evita la oxidación debida al oxigeno del aire, los electrodos de este coulombimetro deben de estar limpios y secos, pues el cátodo debe ser pesados antes y después del paso de corriente, debido a la masa depositada en el cátodo, podemos decir que los lectrodos del coulombimetro de peso son activos, la masa real depositada en el cátodo fue de 0.0127 gramos en un tiempo de 11.22 minutos con una diferencia de potencial de 30.7 Volts y una resistencia de 0.06 Amperes: ++¿+O2 +¿ →Cu¿ Cu¿ 15

Por otra parte en el coulombimetro de gas detonante tiene electrodos inertes, la diferencia de volúmenes representa la formación de gas detonante, este gas de 1/2H2 esta medida debe realizarse a condiciones normales. Por ultimo en el coulombimetro de titulación lo que se busca es obtener la cantidad de Iodo liberado en uno de los electrodos, en este caso el Iodo se produjo en el ánodo de platino, pues en el ánodo es en donde se producen halógenos y óxidos, teniendo −¿ +¿+ I ¿ KI → K ¿

presencia la reacción en el ánodo:

°

Ánodo

−¿+ I 2 −¿ → 2 e¿ 2I¿

Para determinar la eficiencia de este último coulombimetro fue necesario realizar una titulación con tiosulfato usando almidón como indicador, se obtuvo una eficiencia de 47% siendo muy baja en comparación con los otros dos coulombimetros en los que obtuvo una eficiencia de 95% pues la carga teórica es menor a la que se tuvo en la experimentación, esto debido a que las posibles reacciones secundarias también consumen energía por lo que no es posible obtener una eficiencia de 100%.

MIRIAM ITZEL CALVA RUBIO

CONCLUSIÓN POR: Carrasco Maldonado Yesenia Mediante el experimentación llevada a cabo con los coulombímetros en serie de peso, volumen y de titulación pudimos claramente comprobar las leyes de Faraday que rigen el fenómeno electrolítico. A través del coulombímetro de peso que trabajó con una solución de CuSO4, sulfato de cobre, nos permitió constatar que la masa de cobre depositada en el electrodo es directamente proporcional a la cantidad de electricidad suministrada al sistema y a su peso equivalente, con lo cual se comprueba a su vez la segunda ley de Faraday. 16

Haciendo una análisis de los rendimientos presentados se concluye que para el coulombímetro de peso la masa que se esperaba ser depositada de 0.0133 g fue casi cubierta en el experimentación con una masa de 0.0127 g, lo que significa que este coulombímetro tuvo un excelente rendimiento con una eficiencia del 95.5033 %. Por otro lado el coulombímetro de volumen se estimaba un volumen de 7.0282 mL, y en forma real se obtuvieron 6.6732 mL, lo que nos dio también un buen rendimiento con un valor de 94.9492 %. Mientras que en el coulombímetro de titulación se obtuvo un rendimiento bajo de 47.7817 % ya que la masa real obtenida de 0.0254 g queda muy debajo de la masa que se esperaba obtener de 0.0532 g, situación que se atribuye a una titulación incorrecta que diera pauta a un valor erróneo de volumen titulado de Tiosulfato.

YESENIA CARRASCO MALDONADO CONCLUSIÓN POR: García Pérez Isela María Se comprobaron mediante la experimentación las leyes de Faraday las cuales son unas de las más exactas que existen, pudimos determinar la masa o volumen producida por el culombímetro dependiendo del tipo. Aprendimos la manera a utilizar y armar los tres tipos de culombímetros de peso, masa y titulación con el fin de comprobar mediante cálculos la eficiencia que presentan ya sea con la relación de masa o volumen.

ISELA MARÍA GARCÍA PÉREZ 17

CONCLUSIÓN POR: Terrazas Guzmán Israel En esta práctica trabajamos con tres tipos de coulombímetros, de peso; volumen y titulación, los cuales tenía distintos tipos de solución las cuales determinaban las diferentes reacciones ocurridas en los coulombímetros, las soluciones eran sulfato de cobre II para el de peso, hidróxido de sodio para el de volumen y yoduro de potasio para el de titulación. los principales gases producidos por las reacciones eran hidrógeno y oxígeno, esto se podía observar por las burbujas que se formaban. En el coulombímetro de peso se obtuvo una eficiencia del 95.5%, en este la medición es hecha por el peso del elemento depositado en el electrodo, los electrodos de cobre son menos precisos que los de plata, tal vez eso ocasionó que la eficiencia ni se acercara más al 100%. En el coulombímetro de volumen se obtuvo una eficiencia de 94.9% yen el de titulación se obtuvo una baja eficiencia de 47.7%.

ISRAEL TERRAZAS GUZMÁN

BIBLIOGRAFÍA https://prezi.com/cxfwikcbj0eb/untitled-prezi/ http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/LEYESDEFARADAYYPESOSEQUIVAL ENTES_22847.pdf http://quimicaredox.blogspot.mx/2007/11/procesos-electrolticos.html

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