PILAS

QUÍMICA BATXILLERAT PRÀCTIQUES DE LABORATORI


Objectius

* Preparar piles corresponents a diferents reaccions redox.
* Realitzar la mesura dels potencials de les piles preparades.
* Calcular el potencial de les piles a partir de potencials estàndard de reducció dels elèctrodes.
* Observar com varia el potencial de les piles depenent de diversos factors: tipus d’elèctrode i concentració dels ions en dissolució.


Fonament teòric

* Una pila és un dispositiu que genera energia elèctrica mitjançant un procediment electroquímic, transforma l'energia d'una reacció química en energia elèctrica. Una pila proporciona un corrent continu.
* El born negatiu () d'una pila correspon a l'ànode i s'hi produeix una reacció d'oxidació que proveeix d'electrons. El born positiu (+) d'una pila correspon al càtode i s'hi produeix una reacció de reducció que consumeix electrons.

* La força electromotriu d’una pila (f.e.m.) es pot calcular a partir dels potencials estàndard de reducció dels elèctrodes:
Eºpila = Eºcàtode Eºànode
* L’equació de Nernst permet determinar el potencial d’una pila en condicions (temperatura, concentracions) diferents de les estàndard (25 ºC, 1,0 M)


Materials

* Utillatge de laboratori: tub d’assaig, polímetre digital i cables connectors, guants.
* Productes: dissolucions 1,0 M de CuSO4, ZnSO4, FeSO4 i Pb ( NO3 )2 ; Fils o tires de planxa estretes de coure, zinc, ferro i plom.
* Altres materials: patata gran (farà la funció de suport i pont salí de la pila), ganivet, paper de vidre o un cutter per treure l’òxid de les tires de metall


Normes de seguretat i gestió de residus



* Les dissolucions de sals metàl·liques emprades són totes nocives o tòxiques i/o perjudicials pel medi ambient. Per tant, s’ha de procurar reutilitzarles per fer altres pràctiques. Si s’han de llençar, dipositarles en el contenidor de recollida selectiva de residus especials etiquetat amb el nº V (Solucions de sals i compostos de metalls pesants).

* Aneu amb compte durant la manipulació del tub d’assaig de vidre per fer els pous en la patata, ja que us podeu produir talls a les mans; heu d’agafar el tub d’assaig amb uns guants o un tros de tela.


Procediment

1. Preparar prèviament les solucions 1,0 M de sulfat de coure (II) ( escalfant per dissoldre tota la sal ), sulfat de zinc, sulfat de ferro (II) ( aquesta no es conserva i convé prepararla el mateix dia ) i nitrat de plom (II).

2. Els fils o planxes dels metalls que es faran servir com a elèctrodes s’han de rascar bé, ambpaper de vidre o un cutter, per eliminar la capa d’òxid que es pot haver format sobre la seva superfície.

3. Agafem la patata i li tallem un tros per dalt i un altre paral·lelament per sota ( com si fossin aproximadament dos casquets esfèrics ) per a que així puguem col·locarla a sobre de la taula de treball. Després pressionant amb la boca d’un tub d’assaig sobre la part superior de la patata farem tots els forats que calguin.

4. S’omplen el forats amb cadascuna de les dissolucions 1,0 M ( utilitzant un comptagotes ) , es posen un parell d’elèctrodes a les pinces dels cables connectats a un polímetre digital ( posat en l’escala de 2 V ), se submergeixen en les dissolucions respectives dels seus ions i es mesura la força electromotriu ( f.e.m. ), la qual correspondrà aproximadament al potencial estàndard de la pila ( recordeu que el potencial estàndard és a 1 atm, 25 ºC i concentracions 1,0 M ).

5. Es repeteix el procés anterior amb tots els elèctrodes fins que s’hagin fet totes les possibilitats. No s’ha de trigar massa temps per tal d’evitar la difusió dels ions pel pont salí.

6. Cal recordar que les piles amb potencial positiu corresponen a reaccions redox espontànies. Si el potencial indicat pel polímetre és positiu, l’elèctrode connectat al cable vermell és el positiu ( càtode ) i l’altre és el negatiu ( ànode ). Si el potencial mesurat és negatiu, hem muntat la pila de manera que el procés no és espontani i hem de intercanviar la posició de les pinces. Anoteu en la taula de lapàgina següent les lectures de f.e.m. corresponents a les combinacions realitzades.

No desmunteu encara les piles!



Anàlisi dels resultats i qüestionari

1. Per a les piles que han donat f.e.m positiva:

a ) Escriu la seva notació simplificada
1.a ()Pb/Pb2+(1M)//Cu2+//Cu(1M)(+)
2.a ()Zn/Zn2+(1M)//Cu2+//Cu(1M)(+)
3.a ()Fe/Fe2+(1M)//Cu2+//Cu(1M)(+)
4.a ()Zn/Zn2+(1M)//Pb2+/Pb(1M)(+)
5.a ()Fe/Fe2+(1M)//Pb2+/Pb(1M)(+)
6.a ()Zn/Zn2+(1M)//Fe2+//Fe(1M)(+)

b ) Anota el valors de f.e.m. mesurats
| ( + ) |
( ) | Cu | Pb | Zn | Fe |
Cu | ****** | 0,43 | 1,05 | 0,63 |
Pb | 0,43 | ****** | 0,62 | 0,22 |
Zn | 1,02 | 0,661 | ***** | 0,38 |
Fe | 0,63 | 0,23 | 0.36 | ***** |
Taula de lectures de f.e.m.

c ) Consultant la taula de potencials estàndard de reducció ( veure la taula annexa ), calcula els valors teòrics de potencial estàndard de la pila

Eºpila = Eºcàtode Eºànode

Recull els resultats en la taula següent:

Notació simplificada de la pila | f.e.m. ( V )mesurada | Eº pila ( V )teòric |
()Pb/Pb2+(1M)//Cu2+//Cu(1M)(+) | 0.43 | 0.47 |
()Zn/Zn2+(1M)//Cu2+//Cu(1M)(+) | 1.02 | 1.1 |
()Fe/Fe2+(1M)//Cu2+//Cu(1M)(+) | 0.63 | 0.78 |
()Zn/Zn2+(1M)//Pb2+/Pb(1M)(+) | 0.61 | 0.63 |
()Fe/Fe2+(1M)//Pb2+/Pb(1M)(+) | 0.23 | 0.31 |
()Zn/Zn2+(1M)//Fe2+//Fe(1M)(+) | 0.38 | 0.32 |

2. Compara els valors experimentals de f.e.m. amb els valors teòrics calculats. Hi hadiferències significatives? En cas positiu, a què poden ser degudes?

Impureses del Ferro i el Coure.
Amb el pas del temps les dissolucions
La temperatura de l’aula no és de 25ºC exactes.
La patata pot ser havia filtrat part de les dissolucions
3. Ara estudiarem què passa amb el potencial d’una pila quan es modifiquen les condicions de treball ( T, concentracions ).

L’expressió que ens permet determinar el potencial d’una pila quan no es treballa en condicions estàndard és l’equació de Nernst

Epila = Eºpila 2,303 R T . log Qc
n F
Epila = potencial de la pila en condicions diferents a les estàndard
Eºpila = potencial estàndard de la pila
R = constant dels gasos = 8,314 J · mol 1 · K1
T = temperatura en graus Kelvin
n = nombre d’electrons intercanviats en la pila
F = constant de Faraday = càrrega elèctrica d’un mol d’electrons = 96.487 C · mol1
2,303 = factor per efectuar la conversió de ln ( logaritme de Neper ) a log ( logaritme decimal )
Qc = quocient de reacció en funció de les concentracions molars

Per exemple, en el cas de la pila formada pels elèctrodes de plom i de coure, treballant en condicions estàndard, la representació abreujada és:

( ) Pb ( s ) / Pb2+ ( aq, 1,0 M ) // Cu2+ ( aq, 1,0 M ) / Cu ( s ) ( + )

La reacció global redox de la pila:

Pb ( s ) + Cu2+ ( aq ) Pb 2+ ( aq ) + Cu ( s )

En aquest cas s’intercanvien dos electrons ( n = 2 ) i l’expressió de Qc = Pb2+
Cu2+

Amb tot això tenimque podem determinar el potencial d’aquesta pila, en condicions diferents a les estàndard, mitjançant l’expressió següent:

a ) Munteu de nou la pila formada pels elèctrodes de Pb ( ) i Cu ( + ). Amb un comptagotes ves afeginthi aigua destil.lada en l’elèctrode format pel plom metàl·lic en contacte amb la dissolució 1,0 M de nitrat de plom. Observa la lectura del polímetre. Què passa amb la f.e.m. de la pila? Justifica aquest fet amb ajuda de l’equació de Nernst.

A l’afegir aigua, estem reduint la molaritat de manera que el quocient entre Pb2+ i Cu2+ variaria, de manera que el logaritme ens donaria un resultat negatiu i al multiplicar les dues parts de l’equació negatives sortirà un resultat positiu i d’aquesta manera aquest resultat es sumaria un al nombre de Eºpila.
En resum si fem varia la relació de les concentracions molars, el resultat obtingut seria més gran, tal i com vam poder observar en la pràctica a l’hora d’afegir l’agua destil·lada.

b ) Quin potencial tindria aquesta pila si es treballés amb dissolucions de Pb2+ i Cu2+ de concentració 2,0 M, mantenint constants la resta de factors?
El potencial seria exactament el mateix ja que el resultat de Qc seria igual a 1, i el logaritme de 1 és zero, per aquest motiu el resultat no variaria.

c ) Què passaria amb el potencial de la pila si utilitzéssim una concentració de Pb2+ deu vegades més gran que la de Cu2+ ?
Si la concentració de Pb2+ fos deu vegades més gran, el potencial de la pila en condicions diferents a les estàndard, seria méspetit, perquè el logaritme de deu és positiu (log10=1) i per tant s’hauria de resta al Eºpila amb el resultat de la segona part de l’equació.

d ) L’equació de Nernst també ens indica que la f.e.m. d’una pila depèn de la temperatura. Explica com variaria el potencial de la pila anterior si la temperatura de treball fos superior a la temperatura estàndard.

Si la temperatura fos superior a la estàndard influiria en la segona part de l’equació de Nernst, si les concentracions no fossin les mateixes per a què el logaritme fos 0, finalment tindríem que resta del potencial estàndard de la pila el resultat obtingut en l’altre part.




Conclusions

Aquesta pràctica no ha sigut complicada i per això crec que els resultats obtinguts són molt aproximats als resultats teòrics. L’única complicació que potser vam tenir va ser a quan teníem que fer els forats a la patata, a part d’això res més.
A més personalment, he après com funciona l’equació de Nernst, com si variem una de les seves parts aquesta afecta a tota l’equació.

Referències __________ ______ ____ ___ ______

Centre de documentació i experimentació en ciències:
http://phobos.xtec.cat/cdec/images/stories/WEB_antiga/recursos/pdf/TPQ/34_electroq.pdf
<Data de consulta: 10/04/2011>

Fes constar en aquest apartat les referències bibliogràfiques que has consultat per respondre el qüestionari.