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Energía en las Reacciones Químicas  - Electroquímica -

Autor: Santiago Ferrera Escudero

Área: Física y Química

Nivel: Bachillerato



INTRODUCCIÓN
Una pila es un dispositivo capaz de producir energía eléctrica mediante una reacción química. Realiza el proceso inverso a la electrólisis.

La pila requiere que se produzcan dos reacciones, una de oxidación, en la que se liberen electrones, y otra de reducción, donde se aporten electrones, en electrodos distintos, de modo que entre ambos se establezca un flujo de electrones.

Para que el sistema funcione espontáneamente es necesario que la variacion de la función de Gibbs global sea negativa. Al sistema se le llama célula o pila galvánica y al conjunto de cada electrodo con su disolución asociada, semipila o semicélula.

A cada electrodo se le asigna un potencial normal o estándar correspondiente al de reacción de reducción.

Por ejemplo:

Zn2+ +  2e-  ----  Zn              Eº = -0,763 V

El potencial normal corresponde a una pila en la que el otro electrodo fuera de hidrógeno, que se toma como patrón.

El conjunto de la célula se escribe de modo que la reacción sea espontánea de izquierda a derecha. La fases se separan con un barra vertical y las células con una doble barra.

Zn | Zn2+ | | Cu2+ | Cu correspondería a la reacción global.  El simbolo | | nos indica la presencia de un puente salino, normalmente disolución de KCl

Zn + Cu2+  -----  Zn2+  +  Cu

El potencial se calcula mediante la ecuación de Nernst (1889)

donde Eº es el potencial normal, n el número de electrones que se intercambian en la reacción, log significa logaritmo decimal y Red y Ox las concentraciones de la forma reducida y oxidada.

Escrita la ecuación para todo el proceso, donde el subíndice d indica electrodo de la derecha e i el de la izquierda. Convencionalmente se escribe la ecuación de modo que el electrodo que se reduce (cátodo), se escribe a la derecha. En este caso, el cátodo corresponde al electrodo positivo.

Construcción de la pila Daniell

Material

    * Dos vasos de precipitados de 250 cm3.

    * Un tubo en U.

    * Dos bolitas de algodón.

    * Electrodos de cinc y cobre. Pueden ser recuperados.

    * Optativo: electrodos de aluminio y plomo o estaño. Si se usa aluminio se tendrá la precaución de, inmediatamente antes de usarlo, limpiarlo con una disolución de hidróxido de sodio y aclararlo bien con agua destilada.

    * Galvanómetro o detector del paso de corriente


Reactivos

 * Disoluciones 1 M de sulfato de cobre y 1 M sulfato de cinc y disolución saturada de cloruro  de potasio.


Realización

    * Se verterán 150 cm3 de las disoluciones de sulfato de cinc y cobre en cada uno de los vasos.

    * Se llenará el tubo en U de disolución de cloruro de potasio y se taparán ambas bocas con una bolita de algodón.

    * Se introducirán los electrodos en las disoluciones y se invertirá con cuidado el tubo en U situando en las bocas los electrolitos correspondientes.

    * Se medirá la tensión con el Gavanómetro. Es conveniente disponer el montaje de modo fijo para ir estudiando la evolución de la pila a lo largo del tiempo.

Una versión simplificada de la pila se puede hacer con dos vasitos de polipropileno, los electrodos correspondiente y un papel de filtro impregnado de disolución de cloruro de potasio que actuará de puente salino.



Los alumnos podrán preparar otras pilas cuyo potencial calcularán previamente utilizando la ecuación de Nenrst.

Si se toman medidas a lo largo de una semana, se puede observar el efecto de la polarización.

PREGUNTAS

1. Escribe las reacciones que tienen lugar en el ánodo y en el cátodo.

 2. ¿Qué electrodo es el cátodo en este proceso?¿Por qué?

 3. Calcula el potencial previsto por la ecuación de Nernst para tu pila y compara con los resultados          experimentales.

  4. Supón que preparas una pila con un electrodo de plata en disolución de nitrato de plata y una de  cinc, con disoluciones  de iones zn2+  0,5 M.

  * ¿En qué electrodo se producirá la oxidación y en cuál la reducción?

  * Escribe las reacciones correspondientes.

  * Escribe la notación de la pila según los convenios más usuales.

  * ¿Cuál sería su potencial?

   5. ¿Sería posible invertir la polaridad sin cambiar los electrodos en la pila de Daniell?

   6. ¿Por qué la tensión medida va disminuyendo con el tiempo?

   7. ¿Cómo se mediría la constante de equilibrio en la reacción global de una pila a partir de la ecuación de Nernst?

   8. ¿Qué ocurriría si por error en lugar de disolución de sulfato de cinc se pusiera agua destilada?

   9. ¿Cuál es papel del puente salino en la pila?¿Qué ocurre si lo retiras?

  10. Toma medida de la tensión registrada dos veces al día durante una semana por lo menos. Haz  una gráfica en la que representes la tensión medida frente al tiempo. ¿Qué forma tiene? ¿Por  qué?

RECURSOS


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LA GRAN PREGUNTA

 El alumno deberá construir un pila Galvánica con una fuerza electromotriz ( f.e.m. ) de 1,5 voltios, para lo cual deberá hacer uso de la serie de potenciales de reducción que vienen tabulados. Así mismo indicará los electrodos más idóneos y asequibles que se encuentren en el mercado.

EVALUACIÓN

CATEGORÍA
4
3
2
1
Plan para la Organización de la Información
Los estudiantes tienen desarrollado un plan claro para organizar la información conforme ésta va siendo reunida. Todos los estudiantes pueden explicar el plan de organización de los descubrimientos investigados.
Los estudiantes tienen desarrollado un plan claro para organizar la información al final de la investigación. Todos los estudiantes pueden explicar este plan.
Los estudiantes tienen desarrollado un plan claro para organizar la información conforme ésta va siendo reunida. Todos los estudiantes pueden explicar la mayor parte de este plan.
Los estudiantes no tienen un plan claro para organizar la información y/o los estudiantes no pueden explicar su plan.
Ideas/Preguntas Investigativas
Los investigadores identifican por lo menos 4 ideas/preguntas razonables, perspicaces y creativas a seguir cuando hacen la investigación.
Los investigadores identifican por lo menos 4 ideas/preguntas razonables a seguir cuando hacen la investigación.
Los investigadores identifican, con la ayuda de un adulto, por lo menos 4 ideas/preguntas razonables a seguir cuando hacen la investigación.
Los investigadores identifican, con bastante ayuda de un adulto, 4 ideas/preguntas razonables a seguir cuando hacen la investigación.
Plazo de Tiempo del Grupo
El grupo desarrolla un plazo de tiempo razonable y completo describiendo cuándo las diferentes partes del trabajo (por ejemplo, planeación, investigación, primer borrador, borrador final) estarían terminadas. Todos los estudiantes en el grupo pueden describir el plazo de tiempo usado.
El grupo desarrolla un plazo de tiempo que describe cuándo la mayoría de las partes estarían terminadas. Todos los estudiantes en el grupo pueden describir el plazo de tiempo usado.
El grupo desarrolla un plazo de tiempo que describe cuándo la mayoría de las partes estarían terminadas. La mayoría de los estudiantes en el grupo pueden describir el plazo de tiempo usado.
El grupo necesita la ayuda de un adulto para desarrollar un plazo de tiempo y/o varios estudiantes en el grupo no saben qué plazo de tiempo fue usado.

 * En cada respuesta se tendrá en cuenta la nomenclatura química, la formulación de iones así como el proceso anódico y el proceso catódico.
- Se valorará en la formación de las distintas pilas, la indicación de la sustancia que actúa como oxidante y la que actúa como reductora.

CRÉDITOS


Quiero agradecer a D. Francisco Muñoz de la Peña su enseñanza , gracias a él, ha sido posible elaborar esta página.
http://www.aula21.net
http://fresno.cnice.mecd.es/~avaler3 
http://nti.uji.es/~jordi/">nti.uji.es/~jordi/

 
 


                                                                                                 
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