REACCIONES DE ÓXIDO – REDUCCIÓN

OXIDATION-REDUCTION REACTIONS

Miranda Silvera Mileinys, Pugliese Barbosa Katherine, Saavedra Castañeda Cristian

Universidad Del Atlántico 21-Noviembre del 2013

RESUMEN Montar un circuito de celdas galvánicas, para analizar el comportamiento de los metales utilizados como electrodos y los cambios en los voltajes finales de cada secuencia, asi como utilizar o sacar provecho de la diferencia entre los potenciales estándar de reducción para generar trabajo, en este caso encender un led. PALABRAS CLAVE: Complejos, ligando, equilibrio

Hay dos clases de celdas electroquímicas,

la voltaica (galvánica) y la electrolítica. En

las celdas voltaicas ocurre

espontáneamente una reacción química

para producir energía eléctrica.

La batería acumuladora de plomo y la

batería ordinaria de linterna de mano son

ejemplos comunes de celdas voltaicas. Por

otro lado, en las celdas electrolíticas se usa

energía eléctrica para forzar a que ocurra

una reacción química no espontánea, es

decir, ir en el sentido opuesto al que iría en

una celda voltaica; ejemplo de ello es la

electrólisis del agua. En ambos tipos de

celdas, el electrodo en que ocurre la

oxidación se llama ánodo y en el que

ocurre la reducción se llama cátodo.

Cátodo: sin importar el tipo de celda

(electrolítica o voltaica) se define como el

electrodo en el cual se produce la

reducción porque algunas especies ganan

electrones. Este posee carga negativa y a él

migran los iones o cargas positivas.

Anodo: sin importar el tipo de celda

(electrolítica o voltaica) se define como el

electrodo en el cual se produce la

oxidación porque algunas especies

pierden electrones. Este posee carga

positiva y a él migran los iones o cargas

negativas.

Puente salino: es un dispositivo que se

coloca entre las dos semi-celdas de una

celda electroquímica o pila galvánica. El

puente salino contiene un electrolito inerte

respecto de la reacción de óxido reducción

que ocurre en la celda, y cumple la función

de conectar eléctricamente las dos semi-

celdas. El puente salino también mantiene

la neutralidad eléctrica en cada semi-celda.

Una pila voltaica aprovecha la electricidad

de una reacción química espontánea para

encender una bombilla (foco). Las tiras de

cinc y cobre, dentro de disoluciones de

ácido sulfúrico diluido y sulfato de cobre

respectivamente, actúan como electrodos.

Notación para una celda Galvánica:

En esta notación la semi-celda de

oxidación, es decir dónde va el ánodo

siempre se coloca a la izquierda y la semi-

celda de reducción o cátodo se coloca a la

derecha. Los dos electrodos están

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conectados eléctricamente por medio de

un puente salino el cual se indica con dos

barras ||.

Zn(s)| Zn2+(ac) || Cu2+

(ac) |Cu(s)

Ánodo Puente salino

Cátodo

Los terminales de la celda están en los

extremos en esta notación, y una sola

barra vertical, indica un límite entre las

dos fases, digamos entre un terminal

sólido y la solución del electrodo.

Zn(s) | Zn2+(ac)

Terminal del Ánodo

Límite de la fase

Disolución

Si se tiene un electrodo donde uno de los

componentes es un gas, como el caso del

electrodo de hidrógeno:

Electrodo de Hidrógeno; notación para

cátodo el hidrógeno:

Para escribir este electrodo como un

ánodo, simplemente se invierte la

notación:

POTENCIAL ESTÁNDAR DE LOS

ELECTRODOS

Tensión eléctrica: se trata de V, y se mide

en voltios (V) o mili-voltios (mV).

Fuerza electromotriz Fuerza electromotriz

o potencial de la celda: se trata de E, y de

igual manera se mide en voltios (V) ó mili

voltios (mV).

La Fuerza electromotriz (F.E.M.), es una

característica de cada generador eléctrico,

y se define como el trabajo que el

generador realiza para pasar la unidad de

carga positiva del polo negativo al positivo

por el interior del generador.

Esto se justifica en el hecho de que cuando

circula esta unidad de carga positiva por el

circuito exterior al generador, desde el

polo positivo al negativo, al llegar a este

polo negativo es necesario realizar un

trabajo o sea, un consumo de energía

(mecánica, química, etc,) para el

transporte de dicha carga por el interior

desde un punto de menor potencial (polo

negativo) a otro de mayor potencial (polo

positivo).

La F.E.M. se mide en voltios lo mismo que

el potencial eléctrico.

Se define como fuerza electromotriz (fem)

la máxima diferencia de potencial entre

dos electrodos de una celda

galvánica.

La F.E.M de una celda es una medida

entonces de la fuerza directriz de la

reacción de la celda. Esta reacción se

efectúa en la celda en semi-reacciones

separadas:

F.E.M

Contribución del ánodo cuyo valor depende de la semi-reacción de oxidación para perder electrones. Contribución del cátodo cuyo valor depende de la semi-reacción de reducción para ganar electrones

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A estas contribuciones las llamaremos:

Potencial de oxidación y potencial de

reducción.

Consideremos la siguiente celda:

La F.E.M de esta celda es entonces la suma de los dos potenciales, oxidación y reducción:

Es decir:

Potenciales estándares del electrodo

(F.E.M estándar)

La F.E.M estándar : de una celda

galvánica que opera bajo condiciones de

estado estándar (concentraciones de

soluto son cada una 1M, presión de gas

1atm, temperatura especificada,

usualmente 25 °C).

Los potenciales estándar de las semi-

reacciones, no son valores absolutos sino

que tienen referencia.

Por convención, la referencia escogida es el

electrodo estándar de hidrógeno.

Por convención internacional para el

electrodo de H2:

Si uno desea escribir entonces los potenciales estándares de otras semi-reacciones, debe escribir la celda anterior como un ánodo, es decir el electrodo de hidrógeno será el ánodo:

METODOLOGIA: 1. En un vaso de precipitado de 250 ml., se adicionaron 50 ml de sulfato de cobre (II), (CuSO4, 1M) y en otro vaso de precipitado 50 ml de sulfato de zinc (II), (ZnSO4, 1M). 2. se humedeció una tira de papel filtro con disolución de cloruro de amonio (NH4Cl, 0.1 M, esta se utilizó como puente entre las dos disoluciones verificando que hiciera contacto con ambas al mismo tiempo. 3. se introdujo una lámina de cobre en la disolución de sulfato de cobre y una lámina de zinc en la de sulfato de zinc (ambas láminas, estaban bien limpias). 4. Se utilizaron un par de pinzas caimán y cables (caimanes), para conectar la lámina de Cu al borne común de un voltímetro (corriente continua) y la del Zn al borne negativo. Y se observó el voltaje marcado por el mismo. 5. luego se interconectaron; la celda ya montada con la de un grupo adyacente. 6. Por último se introdujo la lámina de cobre y la lámina de zinc en un limón, separadas entre sí por un ángulo de 90° aproximadamente (ambas láminas, bien limpias).

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RESULTADOS Y DISCUCIONES:

No. Celdas Voltaje (V)

1 1,10 2 2,10 3 3,50 4 4,0 (Tab1.0 voltaje celdas galvánicas )

1 Celda

2 celdas

3 celdas

4 celdas

Es evidente que los voltajes registrados parecen la multiplicación del primer voltaje registrado por el nuero de celdas entre cruzadas. Esto se debe a que aumenta la cantidad de electrones que circulan del negativo al positivo, aun cuando la corriente sea la misma la diferencia en los potenciales será mayor, es decir igual a la suma de los voltajes de cada celda.

potenciales estándar de reducción

Semireacción E°(V)

-0.763

+0,34 (Tab1.1 potenciales estándar de reducción)

Analizando los potenciales de electrodo, para el Zn la tendencia de la forma reducida a oxidarse será mayor. En otras palabras, cuanto más negativo sea el potencial de reducción, la forma oxidada será un agente oxidante más débil y la forma reducida será un agente reductor más fuerte, es decir el es un agente reductor fuerte, mientras que el será un agente oxidante débil. Por otro lado para el Cu la tendencia de la forma oxidada a reducirse será mayor. En otras palabras, cuanto más positivo sea el potencial de electrodo, más fuerte como agente oxidante será la forma oxidada y más débil como agente reductor será la forma reducida. Por lo que es evidente quien cumplirá el papel de ánodo y quien el de cátodo en la reacción:

- (ánodo) - (Cátodo)

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Y la reacción global seria:

-

Evidentemente el zinc ( ) se oxida perdiendo electrones pasando a su estado oxidado , mientras que el cobre se reduce pasando de ( ) a su forma reducida . Pero para que esta reacción se lleve a cabo y se pueda aprovechar la diferencia de potenciales, es necesario mantener a los reactantes separados, el único problema es que, en las reacciones de óxido-reducción ambos procesos ocurren de manera simultánea, por lo que, del lado del ánodo las cargas positivas aumentan debido a la perdida de electrones y formación del , mientras que del lado del cátodo las cargas positivas disminuyen debido a la reducción del a , generándose un desequilibrio en las cargas, y si este desequilibrio de cargas no se compensa es imposible el tránsito de electrones, de aquí que sea necesario utilizar un puente salino, en este caso papel filtro humedecido con NH4Cl, la función de este será la de compensar las cargas, es decir del lado del ánodo donde hay mayor número de cargas positivas un flujo de iones estabilizara la solución, al mismo tiempo un flujo de Iones

compensara las cargas positivas perdidas por la reducción del lado del cátodo.

CELDAS DE LIMÓN: Para las celdas de limón el proceso es un poco diferente: i o í i o “ ” o os electrodos haciendo que estos se oxiden, ambos al mismo tiempo, lo que ocurre es que debido a su potencial de electrodo el zinc con un potencial bastante más bajo que el del ácido se oxidara con mayor facilidad y de manera más rápida que el Cobre cuyo potencial es ligeramente más bajo que el del ácido, haciendo que la placa de zinc se haga más negativa que la de cobre, y es precisamente esta diferencia en las cargas la que permite el tránsito de los electrones. -0.763

+0,34 Es evidente la diferencia entre los potenciales estándar de reducción.

No. Celdas Voltaje (V)

1 0,99 2 1,95 3 2,91 4 3,81 (Tab.1.2 voltajes celdas de limón)

1 limón

2 limones

6

3 limones

4 limones

Lo que es claro es que ocurre el mismo efecto del aumento del voltaje, y es que por definición para un circuito en serie debería ser así, ya que el voltaje total de un circuito formado por la unión en serie ( - ) de varias celdas es la suma de sus voltajes, esto se debe a las mismas razones del caso anterior, el flujo de electrones aumenta debido al aumento entre la diferencia de potenciales del cátodo y del ánodo. LED: Por último se conecta un led a la celda de limón, La fuerza impulsora de la reacción química (la diferencia de potencial) se puede usar para realizar un trabajo, como encender un foco de iluminación o hacer funcionar un motor, como se hace con una batería, y fue precisamente eso lo que ocurrió. Un diodo emisor de luz (LED) es un semiconductor fuente de luz.

A Ánodo

B Cátodo

1 Lente/encapsulado epóxico (capsula

plástica)

2 Contacto metálico (hilo conductor)

3 Cavidad reflectora (copa reflectora)

4 Terminación del semiconductor

5 Yunque 7 6 Plaqueta

8 Borde plano

Led Celda de limón

PREGUNTAS:

1. Escribe las reacciones parciales de

los electrodos y la polaridad de los

mismos.

Cu2+ +2e- Cu

Zn Zn2+ +2e-

2. ¿En qué dirección se mueven los

iones en el puente salino?

Los iones NH4+ se mueven hacia el cátodo

(Cu+), éste se va cargando negativamente

al perder cationes (Cu+).

Los iones (Cl-) se mueven hacia el ánodo,

éste se va cargando positivamente al ganar

cationes Zn2+.

3. ¿Que elementos actúan como agentes

reductores en los experimentos realizados?

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Un agente reductor se define como aquella

especie que aporta electrones al medio,

quedando esta especie oxidada. Teniendo

en cuanta esta idea se puede decir que el

Zn es el agente reductor ya que este se

oxida y ofrece 2 electrones al medio.

4. ¿A qué se le llama potencial de una

pila?

Cuando se realiza una celda voltaica

siempre se lleva a cabo una reacción redox

en donde hay una oxidación (pérdida de

electrones) que tiene lugar en el ánodo,

que es el electrodo negativo, y una

reducción (ganancia de electrones) que

transcurre en el cátodo o polo positivo. La

electricidad que se genera es debido la

diferencia de potencia eléctrico que ocurre

entre el potencial individual que hay en

cada electrodo. Ahora bien, el potencial de

una pila hace alusión a la diferencia entre

el potencial del electrodo positivo (cátodo,

donde se realiza la reducción) y el

potencial del electrodo negativo (ánodo,

donde se realiza la oxidación).

Dicho potencial eléctrico también varía con

la temperatura, la concentración y

la presión. El potencial de una pila se

resume en la siguiente ecuación:

5. Investiga la diferencia entre

galvanoplastia, galvanostegia y

galvanización.

Galvanoplastia:

Recubrimiento, por deposito electrolítico,

de un cuerpo solido con una capa metálica.

Galvanostegia:

Tipo de galvanoplastia en que es de metal

el cuerpo que se recubre con una capa

metálica electrolítica.

Galvanización:

Galvanizado. Nombre que se le designan

las diversas técnicas metalmecánicas,

mediante las cuales se recubre una pieza

metálica con una capa de zinc, para

protegerla de la corrosión.

6. Se construye una pila con los electrodos Cu+2/Cu y Al+3/Al, unidos mediante un puente salino de cloruro de amonio. Escribe las reacciones parciales en los electrodos. Haz un esquema de la pila, indicando todos los elementos necesarios para su funcionamiento. ¿En qué sentido circulan los electrones?, ¿Cuáles son los agentes oxidantes y reductores?

Al construir la pila obtendríamos estas reacciones:

A A 3+ + 3e- (Oxidación)

Cu2+ + 2e- R ió

Lo que se podría analizar en el armado de

la pila, es que agente reductor será el

aluminio y el agente oxidante es el cobre.

Los electrones circularán desde electrodo

del aluminio hasta el del cobre. Se usaría

un voltímetro, soluciones de Al (ac) y Cu

(ac), placas de Al(s) y Cu(s) puente salino

hecho con KCl, NH4Cl o KNO3

7. ¿Cómo es que la lámpara se enciende?

¿Puedes explicar a qué se debe que esto

Suceda?

Para que una lámpara se prenda debe existir una fuente que genere energía, en este caso el limón actúa en este circuito como batería y como fuente de electricidad. Al tener el zinc y el cobre en contacto con los limones estos juegan un papel muy importante, El jugo ácido del

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limón disuelve pequeñas cantidades de estos dos metales y sus electrones reaccionan unos con otros. Los iones cargados negativamente fluyen por los cables, creando una corriente eléctrica. (La electricidad consiste en el movimiento de los electrones). Esto que permite a los electrones fluir desde la fuente de energía hasta regresar de nuevo, sin interrupciones. El limón, junto con el zinc y el cobre, se transforma en una batería el cual crea un voltaje que impulsa a los electrones a través del circuito.

CONCLUSIÓN: las celdas galvánicas aprovechan la diferencia de potenciales estándar de reducción de dos metales en una semi-reacción en la que los electrones viajan del metal con menor potencial al metal con mayor potencial de reducción generándose así una reacción redox, estos electrones pueden ser aprovechados para generar trabajo como se vio en la prueba con el led, en otras palabras se aprovecha un vector de flujo de electrones impulsado por una diferencia de potenciales para elaborar lo que se conoce como baterías, esta energía puede ser aprovechada en muchos otros circuitos; una calculadora un reloj o incluso un teléfono celular.