Fabricación de pilas

Técnicas de Laboratorio
Oxidación−Reducción Fabricación de pilas
Oxidación − reducción Fabricación de pilas
Objetivo: se trata de fabricar una pila (Daniel) utilizando las reaccione de oxidación−reducción de los
productos utilizados posteriormente uniéndolas a través de un puente salino
Teoría y definiciones
Continuamente ocurren en nuestro medio transformaciones, unas de ellas las reacciones de
oxidación−reducción constituyen parte importante de nuestras vidas.
¿Cómo sería nuestra vida sin pilas, sin baterías para los automóviles?, ¿y sin energía ?
En nuestro cuerpo, en este instante, están ocurriendo reacciones redox, ejemplo de ellas es la
respiración, o más en concreto, la oxigenación de la sangre en los pulmones, la combustión de los
nutrientes en las células, etc.
¿Qué son reacciones de oxidación−reducción?
Reacción química de una sustancia oxidante sobre una reductora, que produce simultáneamente una oxidación
del reductor y una reducción del oxidante.
Las reacciones de oxidorreducción, también llamadas «reacciones redox», consisten en la captura de
electrones por parte de una sustancia oxidante, como proceso simultáneo a la cesión de los mismos por parte
de una sustancia reductora. Existen diversos elementos, como el azufre y los halógenos, que actúan sobre los
metales y sobre el hidrógeno de forma comparable a como lo hace el oxígeno, produciendo reacciones de
oxidorreducción. También son de este tipo las reacciones que tienen lugar en los procesos electrolíticos: en el
cátodo se produce una reducción, mientras que en el ánodo tiene lugar la correspondiente oxidación.
Tanto los oxidantes como los reductores se clasifican según su potencial de oxidación o de reducción,
respectivamente, y, atendiendo a las posibles reacciones, se establecen pares redox en listas ordenadas de
potenciales.
Oxidantes y reductores
Los oxidantes más conocidos son: el oxígeno, el ozono, los halógenos, los ácidos sulfúrico y nítrico
concentrados, los óxidos metálicos y algunas sales, en especial los cloratos y los nitratos.
Son reductores químicos de uso común: el carbono, de interés fundamental en metalurgia; el monóxido de
carbono; el hidrógeno, utilizado con frecuencia en la producción industrial de numerosos compuestos
orgánicos; el ácido sulfuroso y los sulfitos, y diversos metales, por su tendencia a suministrar hidrógeno por
acción de un ácido.
¿Qué es una pila?
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El primer generador electroquímico o pila fue construido en 1799 por el físico italiano Alessandro Volta
(1745−1827), alternando discos de cobre y cinc con cartones impregnados de salmuera. La pila produce
corriente continua a partir de la energía liberada por una reacción química de intensidad decreciente con el
tiempo; en su forma elemental, consta de dos electrodos, en los que se produce una reacción global de
oxidación−reducción, conectados por un circuito externo e inmersos en un electrólitos (bases, ácidos o sales)
y una sustancia despolarizadora (que evita la deposición de gases, y que disminuye la fuerza electromotriz).
Tipos de pilas
Las pilas que actualmente se construyen se dividen en dos grandes grupos, las secas y las alcalinas, cuyos
electrodos son metálicos (Zn, Hg, Ag, etc., o sus óxidos y sales) y cuyo electrólitos es, a menudo, una pasta
alcalina (potasa, sosa), y las de combustible (hidogeno, gas, etc). En ambos casos, la fuerza electromotriz
suele estar entre 1 y 2 V, pero la densidad de energía (Wh/unidad de peso o volumen) es considerable.
Mientras las primeras son de uso general en la electrónica de consumo, las de combustible se emplean en
astronáutica, repetidores de TV, etc., y se experimenta su utilización como generadores en centrales eléctricas
y en procesos industriales de ciclo combinado.
pilas electroquímicas
La idea fundamental de una pila es aprovechar las reacciones Redox, es decir, las reacciones en que se
produce una transferencia de electrones entre las especies reaccionantes, para conseguir una corriente eléctrica
aprovechable. Por ejemplo, en la reacción química:
Zn(s) + Cu2+(aq) −> Cu (s) + Zn2+(aq)
hay una transferencia directa de electrones desde el Zn a los iones Cu2+.De esta reacción puede obtenerse una
corriente aprovechable, si se realiza el dispositivo conocido como pila Daniell, que es el tipo de pila más
simple. Se coloca un electrodo de cobre en una disolución de Cu2+ y otro de zinc en una disolución de Zn2+,
unidos ambos por un cable conductor. Así, la reacción tendrá lugar transfiriéndose los electrones por el cable
circulando una corriente eléctrica aprovechable. Para evitar que las disoluciones queden cargadas
eléctricamente, con la consiguiente indeseable aparición de campos eléctricos, se puede colocar un puente
salino entre ambas disoluciones. Dicho puente salino contiene un electrolito muy conductor, que se disocia en
iones positivos y negativos móviles que mantienen la neutralidad eléctrica de ambas disoluciones.
La pila es muy poco práctica, por lo que es necesario disponer de pilas más útiles. Los principales tipos de
pilas que pueden encontrarse son los siguientes:
Pilas primarias o secas. Este tipo de pilas son las utilizadas comúnmente en los hogares. Un ejemplo típico lo
constituye la pila Leclanché, formada por: un ánodo de zinc cilíndrico el cual es a su vez la envoltura de la
pila, un cátodo formado por una varilla de carbón que actúa de electrodo inerte y el electrolito que se
encuentra en forma de pasta rodeando el cátodo.
Pilas secundarias o recargables. En estas pilas electrolíticas se eligen de forma que los reactivos y los
productos sean insolubles en el electrólitos y permanezcan unidos al electrodo. De esta forma pueden
recargarse fácilmente conectándolas a una fuente externa, de tal modo que pase corriente en sentido contrario
al que ella proporciona.
Pilas de combustión. En contraste con las pilas convencionales, en las que los reactivos disponibles quedan
limitados a una determinada cantidad, en las pilas de combustión los agentes oxidantes y reductor se aportan
de manera continua al tiempo que se eliminan los productos.
Fem de una pila
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La característica cuantitativa más importante de una pila o de un circuito de pilas es la fuerza electromotriz (
fem, la cual designaremos en adelante con E). E es igual a la diferencia máxima de potencial de una pila
correctamente abierta, o sea, es igual a la diferencia de potencial entre los terminales de los conductores de
primera clase, ambos del mismo material, y unidos a los electrodos de la pila (circuito). El signo de la fem
coincide con el signo de la diferencia de potencial total del circuito o es opuesta a él en dependencia del
sistema de signos adoptados.
Si al pasar una corriente eléctrica en diferentes direcciones, en la superficie del electrodo transcurre la misma
reacción, pero en direcciones opuestas, tales electrodos, así como la pila o circuito de pilas, se denominan
reversibles. La fuerza electromotriz de pilas reversibles es una propiedad termodinámica de estas, es decir,
depende sólo de la temperatura, presión, naturaleza de las sustancias de que están hechos los electrodos y de
las que forman las soluciones de la pila, así como de la concentración de estas. Como ejemplo de pila
reversible puede servir la de Daniel−Jacobi
(−) Cu /Zn/ ZnSO4, (ac) // CuSO4, (ac) /Cu (+)
en la cual cada electrodo es reversible, pues al cambiar la dirección de la corriente en los electrodos tienen
lugar reacciones reversibles.
Veamos una pila irreversible; la de Volta,
(−) Zn / H2SO4/Cu (+).
Durante el trabajo de esta última tienen lugar las siguientes reacciones electrodicas: Zn!Zn2+ + 2e; 2H+ + 2e!
H2.
Al pasar una corriente de fuerza infinitamente pequeña proveniente de una fuerza externa, las reacciones
electródicas serán: 2H+ + 2e! H2. Cu!Cu2+ + 2e.
La fem de una pila electroquímica esta compuesta de las diferencias de potencial entre los distintos
conductores del circuito abierto (desconectado) en los sitios de contacto. Estas diferencias de potencial
reciben también el nombre de saltos de potencial. Al poner en contacto conductores de primera clase surge un
salto de potencial llamado potencial galvánico.
Signo de la fem de las pilas
La fem de una pila electroquímica es una magnitud positiva, pues corresponde siempre a un determinado
proceso espontáneo que entrega trabajo positivo. Al proceso inverso, que no puede producirse de manera
espontánea, correspondería una fem negativa. Al componer un circuito de pilas electroquímicas se puede
dirigir el proceso en un de ellas de manera que aquél que vaya acompañado de consumo de trabajo del
exterior (proceso no espontáneo) . Para esto ese emplea el trabajo de otra pila del circuito en el que tenga
lugar un proceso espontáneo. Es evidente que la fem total de cualquier circuito electroquímico es igual a la
diferencia de las fem de pilas individuales, es decir, a la suma algebraica de las magnitudes positivas y
negativas. Para esta razón es muy importante al trazar el esquema de un circuito electroquímico y calcular su
fuerza electromotriz, teniendo en cuenta los signos de esta para lo cual se emplean determinadas reglas de
aceptación general.
La fem de un circuito electroquímico se considera positiva si durante el trabajo del circuito los cationes en la
solución pasan del electrodo, en la parte izquierda del esquema a electrodo en la parte derecha del esquema,
moviéndose los electrones en el circuito exterior en la misma dirección. En este caso , el electrodo de la
derecha se carga positivamente en comparación con el de la izquierda. Si el esquema del circuito esta trazado
de manera que el movimiento del os cationes en el electrolito y de los electrones en el circuito exterior sea de
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derecha a izquierda, la fem será negativa.
Materiales/ productos necesarios y método operatorio
Antes de realizar nuestro experimento debemos tener a mano los instrumentos sigientes:
Materiales
1
2
1
1
1
1
1
2
Vaso de 50 ml
Vaso de 250 ml
Vaso de 600 ml
Varillas de vidrio
Voltímetro
Electrodo
Puente salino
Matraz de 100 ml
Productos
Sulfato de cobre > CuSO4
Sulfato de cinc > ZnSO4
Nitrato de potasio > KNO3
Papel de filtro >
• Calculamos la cantidad de sulfato de cobre necesaria para preparar 100 ml 0,05 N.
M = 2 x 0'05
M = 0'1M
M = gramos/(Masa molecular x litros); 0'1 = gr/(159'5 x 0'1); gramos = 1,6 de CuSO4
• Preparamos la disolución
• Claculamos la cantidad de sulfato de cinc necesaria para preparar 100 ml 0,04 N.
M = 2 x 0'04
M = 0'08M
M = gramos/(Masa molecular x litros); 0'08 = gr/(161'3 x 0'1); gramos = 1,3 de ZnSO4
• Preparmos la disolución.
• Preparamos una disolución saturada de nitrato de potasio y la introducimos en un puente salino, tapando
con papel filtro ambos extremos del tubo.
• Calculamos de manera teórica la fem estándar de la pila y también la fem total. Escribiendo las reacciones
de oxidación y reducción y determinando el oxidante y el reductor.
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Zn+2 + 2e− Zno Eo = −0,76v
Cu+2 + 2e− Cuo Eo = 0,34v
• (−) Zno Zn+2 + 2e− Eo = 0,76v
Cu+2 + 2e− Cuo Eo = 0,34v
Zno + Cu+2 Zn+2 + Cuo Eo = 1'1v
; Epila = 1.102 voltios
• Se fabrica la pila de la siguiente manera: una vez hechas las disoluciones de CuSO4 y ZnSO4, se coloca
ambas disoluciones con una cantidad equitativa en dos vasos de precipitado. Tras tener nuestros polos de la
pila, cogemos la disolución saturada de KNO3 en un puente salino tapando sus extremos con papel de
filtro, y una vez preparado, los vasos se unen con él.
Tras haber construido la pila es tiempo de medir su voltaje con un tester o polímetro. Para que el polímetro
mida con mayor precisión el voltaje de nuestra pila, bajaremos el voltaje máximo, sabiendo de antemano que
el voltaje teórico es de 1'102 voltios.
Un tester o también conocido como Polímetro, es un dispositivo capaz de medir tensiones, corrientes, valores
de resistencias y ciertos parámetros de los transistores y diodos. En principio puede medir corrientes y
tensiones tanto alternas como continuas.
Existen dos tipos básicos de polímetros, los analógicos y los digitales. En el caso de los analógicos, la medida
viene dada por una aguja que se desplaza formando un ángulo menor a 90º situándose sobre una escala. El
digital por el contrario, trae un display digital en el cual muestra el valor directamente sin hacer falta el uso
de la aguja. Personalmente prefiero el Digital porque la medida suele ser más exacta y además mucho más
rápida, ya que con el analógico deberíamos observar fijamente la aguja y la escala en la que esta situada
(cometiendo además un error, ya que seguramente no veríamos correctamente la posición de la aguja).
Los polímetros, independientemente de si son digitales o analógicos, tienen una ruleta en su centro. Esta
ruleta tiene un indicador, con el cual podemos seleccionar diversas posiciones. Estas posiciones representan
una escala de valores. Por ejemplo: si seleccionamos la tensión, podremos seleccionar 2v, 12 v, 20 v, ?.
Hasta un máximo en este caso de 400 v. Este valor será el fondo de escala. Es decir.. el valor que como
máximo va a poder medir.
Informe realizado de la práctica / esquema del proceso
• Determinar las reacciones de redox asi como la especie oxidante y la reductora.
En las reacciones redox (oxidación − reducción), el sulfato de cobre es el oxidante por lo que la reacción de
reducción es la del cobre, (oxidante) Cu+2 + 2e− Cuo (reducción); y el sulfato de cinc es el reductor, de modo
que la reacción de oxidación es la del cinc, Zno Zn+2 (reductor) + 2e− (oxidación).
• Comparar el resultado experimental al teórico. ¿Existe diferencia? ¿Por qué?
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Nuestro resultado teórico fue de 1'102 voltios, y experimentalmente obtuvimos 1'04 voltios. Esta diferencia se
puede deber a varias causas, principalmente por errores cometidos en la fabricación de las disoluciones
interventoras, tanto las de ZnSO4 y la de CuSO4 así como la de KNO3, o que la disolución del puente salino
no fuese lo bastante saturada.
• Disolución de sulfato de cobre para 100 ml 0.05 N
• Disolución de sulfato de cinc para 100 ml 0.04 N
• Disolución saturada de nitrato de
potasio
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• Fabricación de la pila y medición de su voltaje
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(footnote continued)
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