ELECTROQUMICA Y CORROSIN

EXPERIMENTOS

Experimento N 1: Pilas Electroqumicas

Parte A: Pila constituida por las semipilas:

Zn/Zn2+(0,1 M)//Cu2+(0,1 M)/Cu

Se llevan a cabo las siguientes reacciones:

Zn + 2e ( Zn2+Cu2+ ( Cu + 2eDiagrama de procesos:

Datos:

Voltaje 1: 1.020 V

Voltaje 2: 1.028 V

Observaciones: Antes de introducir las barras de cobre y zinc hay que lijarlas bien.

Al colocar el puente salino el color celeste de la solucin de cobre se torna de color verde oscuro.

El voltaje de la pila antes de introducir el puente salino es de 1.020 V, y despus de introducirla es de 1.028, difiere del valor terico 1,1 V

Conclusiones: El voltaje obtenido experimentalmente es menor pues la temperatura del laboratorio no es de 25C y la presin no es de una atmsfera.Parte C:

Procedimiento:

a) Reconstruya la pila de la parte A, poniendo solucin de Cu(NO3)2, 0.1 M en un vaso conteniendo la barrita de Cu(s), y en otro vaso, una solucin de Zn(NO3)2, 0.1M conteniendo la barrita de Zn. Observe nuevamente el voltaje de la celda.

b) Aada gota a gota y agitando a la vez, una solucin de Na2S, 1 M al vaso que contiene solucin de Cu(NO3)2. Observe la lectura del voltmetro y el aspecto final de la solucin del vaso.

Cu(NO3)2 con unas gotas de Na2SObservaciones:

El Cu(NO3)2 paso de color celeste a verde oscuro.

El voltmetro indic: 1,028 V.Experimento N 2: Electrlisis de una solucin acuosa de Yoduro Potsico

Las reacciones producidas son las siguientes:KI(ac) ( K+ + I2H2O + 2e ( H2 + 2OH

Observaciones: En un extremo del tubo se deposit el yodo, de color pardo, En el otro extremo se deposita el hidrgeno liberado en forma de burbujasConclusiones:

La extraccin del Yodo solo se da por un proceso electroltico, es decir no es una reaccin espontnea Un lado de los diodos acta como ctodo ya que en este se produce la siguiente reduccin:2H2O + 2e ( H2 + 2OH EL lado que contiene Yodo actu como el nodo, ya que en este se produce la oxidacin:2I ( I2 + 2eExperimento N 3: Corrosin del Hierro por Agentes Qumicos:Materiales y Reactivos:

NaOH, 0.1 M

Na2Cr2O7, 0.1 M

NaCl, 0.1 M

HCl, 0.1 M

FeSO4.7H2O, 0.1M

K3Fe(CN)6, 0.1 M

Fenolftalena al 1%

1 barrita de cobre

1 barrita de fierro

1 solucin de NaCl al 3%

8 clavos de de dos pulgadas

1 vaso de 250 mL

1 bagueta

5 tubos de ensayo

Papel tornasol

Agua destilada.Procedimiento Experimental

a) Poner un clavo limpio (lijado) en cada uno de los cuatro tubos de ensayo; tenga cuidado de no romper el tubo con el clavo.

b) Aadir a cada tubo de ensayo hasta cubrir a cada clavo las siguientes soluciones 0.1 M: NaOH, Na2Cr2O7, NaCl, HCl.

c) Determine la concentracin aproximada del ion H+ de cada solucin mediante el papel tornasol u otras.

d) Despus de que las soluciones hayan permanecido todo este tiempo aada a cada una 1 o 2 gotas de ferricianuro potsico, c, 0.1 M que contiene los iones K+ y Fe(CN)6-3 y anote cualquier cambio.

e) En otro tubo de ensayo, aada 2 gotas de K3Fe(CN)6, 0.1 M a 3 mL de FeSO4, 0.1M.

f) Compare este resultado con el obtenido cuando se aade K3Fe(CN)6, 0.1 M a las distintas soluciones que contienen los clavos.

Experimento N 4: Utilizar como Puente Salino a la arena:

Parte A: En la arena sola colocamos las tiras de Cu y Zn que actan como electrodos, a una distancia de 5 cm aproximadamente. Conectamos los electrodos al voltmetro.Parte B: En la arena con cloruro de sodio al 3%, tambin colocamos al Cu y al Zn como electrodos.Diagrama de procesos:

Esquema:

Conclusiones: El cloruro de sodio sirve como puente salino de la celda permitiendo el flujo de electrones.CUESTIONARIO

1. Cuando el de la celda galvnica Zn/Cu ser igual a 1.10 V?

El de la pila ser de 1,10 V cuando la temperatura sea de 25 C y las concentraciones de Zn++ y Cu++ sean iguales.El valor de no vara si, al variar las concentraciones de Zn++ y Cu++, permanecen iguales.

2. Calcular el de las celdas para los casos (A), (B) y (C)Para la Celda (A):

El valor experimental de la pila es 1.02 V

Zn(s) / Zn++ (0.1M) // Cu++ (0.1M) / Cu (s)

Las reacciones en las semiceldas son:

Zn2+ + 2e Zn (s) = 0.76 V

Cu2+ + 2e Cu (s) = +0.34 V

Cu2+ + Zn ( Cu + Zn2+

Luego celda = 0.34 (0.76) = 1.10 V Aplicando la ecuacin de Nernst: celda = celda = 1.10 = 1,10 VPara la Celda (C)El Cu(NO3)2 reacciona con el Na2S, segn:Cu(NO3)2 + Na2S ( CuS(s) + 2NaNO3reducindose la concentracin del Cu2+ debido a la precipitacin.En la ecuacin de Nernst: celda = celda ; [Zn2+] = 0,1M, [Cu2+] < 0,1Mluego

>1 ( >0Entonces celda < celda = 1,10V

3. Haga las ecuaciones de las reacciones de las semipilas:

a) Zn(s) / Zn++ (1M) / Cu++ (1M) / Cu (s)

b) Pb(s) / Pb++ (1M) // Cu++ (1M) / Cu (s)

Calcule el voltaje terico de las pilasa) ANODO (Oxidacin): Zn (s) Zn2+ + 2e

= +0.76 V

CATODO (reduccin): Cu2+ + 2e Cu (s)

= +0.34 V

Reaccin total:

Cu2+ + Zn(s) ( Cu(s) + Zn2+ = +1.10 V

b) ANODO (oxidacin):Pb (s) Pb2+ + 2e

= +0.13 V

CATODO (reduccin):Cu2+ + 2e Cu (s)

= +0.34 V

Reaccin total:

Cu2+ + Pb(s) ( Cu(s) + Pb2+ = +0.47 V

4. Qu ocurre con el voltaje de la pila: Zn(s) / Zn++ (1M) // Cu++ (1M) / Cu (s). Si en vez de tener Zn++(1M) utilizamos Zn++(4M)?

Aplicando la ecuacin del Nernst:

celda = celda

celda = 1.10 = 1.082 V

El voltaje disminuye en 0.0178 V debido al aumento de concentracin del Zn++

5. Cul es la finalidad del puente salino? Qu tipo de sustancias se emplean en el puente salino?

Las funciones del puente salino son:

Evita mezcla de las disoluciones de los electrodos

Permite contacto elctrico entre las disoluciones de los electrodos.

Mantiene la neutralidad elctrica en cada semicelda medida que los iones fluyen dentro y fuera del puente salino.

El puente salino est formado generalmente por una solucin de KCl (5 % agaragar) o de NH4NO3, de tal manera que los iones producidos no reaccionen con los iones de las disoluciones o con los electrodos.

6. Si tuviramos la siguiente pila: Cu(s) / Cu++ (1M) / Cu++ (2M) / Cu (s)a) Se originara una cada de voltaje?

b) Si hubiera una cada de voltaje, calcule el voltaje terico. Cul sera el sentido de la corriente?

a) S, pues el potencial de un electrodo depende de la concentracin de los iones implicados, pudindose construir por ello, una pila de semiceldas con el mismo electrolito (celda de concentracin).

La reaccin:

Cu2+ + 2e Cu (s)

= +0.34 V

Obedece al principio de LeChatelier, de tal manera que, al aumentar la concentracin de los iones Cu2+, se favorece la reduccin, constituyendo al electrodo en solucin concentrada como ctodo, y al de la solucin diluida como nodo.

b) El voltaje producido en la celda de concentracin estar dado por:

celda =

As:

celda = = 0,00888 V

Obsrvese que el voltaje obtenido es bajo, caracterstico de las celdas de concentracin.

El sentido real de la corriente es espontneo, del nodo hacia el ctodo, es decir de la celda de menor concentracin a la mayor concentracin. El sentido convencional de la corriente es inverso.

7. A qu se debe la disminucin del voltaje al adicionar una solucin de Na2S a la semipila de Cu/Cu++?Se debe a la disminucin de la concentracin del Cu++ por la reaccin de precipitacin producida, lo cual provoca que el potencial del electrodo de Cu++ disminuya, haciendo que la diferencia de potenciales sea menor con respecto al electrodo de Zn++, tal como se calcul cualitativamente en la pregunta N 2.

8. Porqu al agregar la solucin de Na2S el voltaje puede hacerse negativo? Escriba la ecuacin.El Cu(NO3)2 reacciona con el Na2S, segn:

Cu(NO3)2 + Na2S ( CuS(s) + 2NaNO3Segn Nernst:

celda = celda ...(*)

Pero

[Zn2+] = 0,1M, [Cu2+] < 0,1M (disminuye)

luego

>1 ( >0

Si en (*), la concentracin del ion Cu++ disminuye lo suficiente de tal manera que: >1,10, el voltaje puede hacerse negativo, lo cual significa que el sentido de la corriente cambia de direccin debido a que, en dichas condiciones, el potencial de electrodo de la semipila de Zn / Zn++ es mayor.

9. Cul ser el voltaje mnimo con que se puede alimentar la corriente elctrica para que ocurra la electrlisis del KI?La electrlisis del KI est dada por la reaccin:

2H + 2H2O ( I2 + H2 (g) + 2OH (ac) (1)

La cual se produce debido a que, segn los potenciales normales de reduccin u oxidacin::

2I 2e + I2

= 0.536 V

2e + 2H+ H2 (g)

= 0.000 V

2H2O ( l ) +2e ( H2 (g) + 2OH(ac)

= 0.83 V

e + K+ K

= 2.925 V

La reaccin de reduccin del H+ se ve desfavorecida debido a la baja concentracin de estos iones y a la ausencia de condiciones estndar de presin y temperatura.

El in I tiende a oxidarse ms fcilmente que las dems especies. El K+ es posee un potencial de reduccin demasiado alto para que esta ocurra, por lo cual es el agua quien completa el proceso rdox con el in iodo.

El potencial total estndar de esta reaccin resulta ser = 0,5360,83 = 1,366 V. Es decir, como esta reaccin no ocurre en forme espontnea se requiere, como mnimo, que el voltaje aplicado sobrepase este valor pero con signo contrario. El voltaje mnimo sera mayor que 1,366V.

Ntese que la reaccin (1) ocurre en medio bsico.

10. Indique el sentido del desplazamiento de los electrones y de los iones.

El desplazamiento de los electrones es no espontneo, desde el nodo (+) hacia el ctodo (), debido a la fem suministrada por la batera. Los iones formados dentro de la solucin son OH, K+ ,I. El I se deposita en el nodo inerte de C, formando Iodo lquido (pardo). A fin de mantener la neutralidad elctrica de la solucin, el agua se oxida en el ctodo, formando hidrgeno gaseoso (burbujeo). Dentro del tubo queda, entonces, una solucin bsica formada por el K+ y el OH.

11. Haga las reacciones que ocurren en la electrlisis del KI.

NODO:

2I

2e + I2CTODO:

2H2O ( l ) +2e ( H2 (g) + 2OH(ac)REACCIN GLOBAL:2I + 2H2O ( I2 + H2 (g) + 2OH (ac)

12. Indique los reactivos del Experimento N 3, dnde no observ prueba alguna de corrosin?Los reactivos empleados en esta experiencia fueron el NaOH, Na2Cr2O7, NaCl, HCl y FeSO4.7H2O. La corrosin fue ms evidente dentro de la solucin de cido clorhdrico, pero no muy notoria en los casos de los compuestos neutros como el cloruro de sodio y el dicromato de potasio. Inclusive, en la solucin de sulfato ferroso heptahidratado, no se pudo observar algn rastro evidente de corrosin (esta pudo haberse producido pero de una manera muy lenta). Sin embargo, fue, en definitiva, dentro de la solucin bsica de NaOH donde no se produjo este proceso, lo cual demuestra que el hierro del que estaba formado el clavo, trabaja muy bien en medio bsico.

13. Por qu un clavo puede permanecer por das en la estantera de un almacn y no se oxida, mientras que puesto en el agua se oxida rpidamente?

La corrosin del hierro del clavo se manifiesta en la formacin del xido de hierro conocido como herrumbre. Para su formacin, es necesario que el hierro reaccione con el O2 atmosfrico en medio cido (con presencia de iones H+), adems de un medio que facilite la migracin de iones y electrones. En este caso el agua constituye el medio favorable para la corrosin, ya que, adems de contribuir a dicha migracin, provee de iones H+ producto del CO2 disuelto al formarse el H2CO3. Sin el agua el proceso es mucho ms lento y en ocasiones no se produce.

14. Los iones ferrosos reaccionan con ferricianuro potsico para formar una solucin coloreada. Formule la ecuacin de esta reaccin.La reaccin mencionada produce un complejo de color azulado, siendo la reaccin de formacin la siguiente:Fe2+ + Fe(CN)63+ ( Fe2(CN)6En en caso de nuestro experimento 3, los iones reactantes descritos en esta precipitacin provienen de la disociacin del Fe(SO)4 y el K3Fe(CN)6.

15. Algunas veces se ponen varillas de magnesio metlico en los calentadores de agua. Por qu?Esto se realiza con el fin de proteger al hierro que constituyen los calentadores de la corrosin, empleando el principio de la proteccin catdica. Como el magnesio un metal ms electropositivo, acta como nodo y es atacado durante el proceso electroqumico de la corrosin, llamndose por ello nodo de sacrificio.

16. Por qu se emplea arena lavada en la celda electroqumica y cul es el objeto de su uso?El arena cumple la funcin de puente salino dentro de la celda, proporcionando un medio para la migracin de iones y cerrar as el circuito de dicha celda. Los iones de las sales disueltos en el agua que esta contiene se dirigen hacia los electrodos con el fin de mantener la neutralidad elctrica. Es a travs de estos iones que los electrones se mueven dentro del medio, por lo cual a mayor salinidad del arena (y por ende, mayor nmero de iones) la celda trabajar ms eficientemente, tal como se pudo comprobar al medir los diferentes voltajes producidos empleando arena solamente y arena con NaCl. Evidentemente, utilizar arena lavada en vez de un puente salino no producir el mismo voltaje que con un puente salino de KCl comn y corriente, pero nos informa que sta bien puede funcionar para completar los procesos electroqumicos que se dan a nivel del subsuelo, como por ejemplo en la corrosin de las tuberas de agua y desage.

17. En un tanque de fierro recubierto de zinc metlico, al producirse la corrosin gradual. Cul de los metales acta como ctodo y cul como nodo? Explique.Los potenciales de oxidacin de las dos sustancias son:Fe(s) ( Fe 2+ + 2e

= +0.44 V

Zn(s) ( Zn 2+(ac) + 2e

= +0.76 VEl Zinc tiene mayor potencial de oxidacin y es ms factible que se produzca primero su oxidacin.

Por lo tanto, el recubrimiento de Zinc se oxidar como mayor facilidad (acta como nodo), protegiendo al hierro, el cual acta como ctodo..

18. Consulte en qu consiste el efecto de sobretensin como factor de la corrosin.La corrosin del hierro ocurre slo en presencia de oxgeno y agua, pero tambien existen factores que aumentan la corrosin del hierro como son las inpurezas, sobretensiones, defectos cristalinos presentes en el hierro. El efecto que produce la sobretensin presente en el hierro es la de atraer los electrones apartndolos de las regiones en el hierro que se convierten, por consiguiente en lugares nodicos que son sitios donde un objeto corrodo adquiere picaduras, donde el hierro se disuelve como iones de Fe2+.

19. Discutir el efecto del O2 y del CO2 en la corrosin del hierro.Las reacciones de corrosin son reacciones rdox en las cuales un metal es atacado por alguna sustancia que se encuentra en sus alrededores y lo convierte en un compuesto indesable.

Uno de los procesos corrosivos ms comunes es la corrosin del hierro. Desde el punto de vista econmico este proceso corrosivo ms comunes es la oxidacin del hierrro. La oxidacin del hierro lleva implcita como se sabe, la participacin del oxgeno; el hierro no se oxida en agua, a menos que se encuentre presente el O2.

Se cree que la corrosin del hiero es de naturaleza electroqumica. Una parte de la superficie del hierro sirve a manera de nodo en donde el hierro va sufriendo dicha oxidacin:

Fe(s) ( Fe2+(ac) + 2e-Los electrones producidos emigran por el metal a otra parte de la superficie que sirve de ctodo. Aqu es donde el oxigeno puede ser reducido:O2(g) + 4H+(ac) + 4e- ( 2H2O(l)Debe hacerse notar que el H+ participa en la reduccin del O2 . Conforme va disminuyendo la concentracin de H+(esto es, conforme va aumentando el pH) va hacindose menos favorable la reduccin del O2. Se ha observado que el hierro en contacto con un disolucin cuyo pH es superior a 9 o 10 ns se oxida. Durante el proceso corrosivo, el Fe2+ que se forma en el nodo se oxida an ms en Fe3+. El Fe3+ forma xido de hierro hidratado (III) conocido como herrumbre:4Fe2+(ac) + O2(g) + 4 H2O(l) + 2xH2O(l) ( 2Fe2O3 .xH2O(s) + 8H+(ac)El proceso electroqumico que se da en la formacin de herrumbre, se observa que la reaccin ocurre en medio cido; donde los iones H+ pueden ser aportados en parte por la reaccin del dixido de carbono atmosfrico con el agua para formar H2CO3.CO2 + H2O ( H2CO3

Luego se produce la oxidacin del Fe(s:2Fe(s) + O2(g) + 4 H+ ( 2Fe2+(ac) + 4 H2O(l)Los iones Fe2+ formados en el nodo son despus oxidados por el oxgeno:4Fe2+(ac) + O2(g) + 4 H2O(l) + 2xH2O(l) ( 2Fe2O3 .xH2O(s) + 8H+(ac)

20. Explique los principios de proteccin catdica y andica.Debido a la corrosin, que es el deterioro lento de una sustancia, se han desarrollado numerosos mtodos para protegerlos tales como la proteccin catdica y andica.

La proteccin catdica es un proceso en el cual el metal que va a ser protegido de la corrosin se convierte en el ctodo de una celda electroqumica. Con frecuencia las tuberas subterrneas se protegen contra la corrosin haciendo de la tubera el ctodo de una celda voltaica, as tambin un clavo de hierro puede protegerse de ser oxidado al conectarlo con un trozo de zinc.

La proteccin andica es un proceso en el cual la sustancia a protegerse se convierte en le nodo de una celda electroltica, as en el par Mg-Fe es bueno para evitar que se desgaste el Fe, el cual actuar de ctodo (reduccin) y el Mg de nado (oxidacin).

21. Cmo puede hacerse pasivo un metal?Se han desarrollado numerosos mtodos para proteger a los metales de la corrosin. La mayora de estos mtodos tienen como objetivos prevenir la formacin de xido. El recurso ms obvio consiste en cubrir la superficie del metal con pintura. Sin embargo, si la pintura sufren algn dao y se expone aunque sea una pequea porcin del metal, el xido se formar bajo la capa de pintura. La superficie de un metal puede inactivarse por un proceso llamado pasivacin, el cual consiste en la formacin de una capa delgada de una sustancia sobre la superficie del metal, donde esta sustancia protege al metal de una corrosin posterior. As por ejemplo en el caso del hierro se forma una capa delgada de xido cuando se trata al metal con un agente oxidante fuerte como el cido ntrico concentrado.

22. Por qu un clavo se oxida ms en la punta, en la cabeza o en la parte doblada?Esto se debe a los factores antes mencionados como las impurezas, sobretensiones, defectos cristalinos que se presentan en el clavo en las puntas, la cabeza y en especial en la parte doblada don de existe una mayor sobretensin, esto conlleva a la formacin de regiones andicas en donde el hierro se disuelve como iones de Fe2+, los cuales por accin del oxgeno y el agua se produce la corrosin.

23. Haga los esquemas de las celdas trabajadas.

ELECTROLISIS DE UNA SOLUCION ACUOSA DE KI

Na2Cr2O7

pH=4

NaCl

pH=6

HCl

pH=1

NaOH

pH= 13

K3Fe(CN)6

Coloque arena que fue previamente tamizada en un vaso de 250 ml

Coloque las tiras de cobre y hierro a una distancia de 5 cm.

Observe la medicin de la lectura con la mayor precisin

Conecte los extremos de las tiras con los del voltmetro

ARENA SOLA

ARENA CON SAL

MULTIMETRO

Zn++

Cu++

PUNTE SALINO KCl

Zn

Cu

PILA CONSTITUIDA POR Zn Y Cu (PILA DE DANIEL)

Pb

Cu

Pb++

Cu++

PUNTE SALINO KCl

PILA CONSTITUIDA POR Zn Y Cu (PILA DE DANIEL)

Cu

Fe

MULTIMETRO

ARENA COMO PUENTE SALINO

6V

KI

ELECTRODOS DE CARBN

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