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Conocer los componentes y la estructura de las pilas primarias, establecer la
reacción global de la celda, construir la curva de descarga de la pila y comparar la
capacidad teórica anódica y catódica con la capacidad practica obtenida cuando la
celda es descargada a través de una r...

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PROFESORES: Dra. María Luisa Lozano C. y Dr. Hugo Sánchez Soriano

LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA Informe de trabajo sección 3:

ELECTROQUÍMICA “Estructura y contenido de algunas pilas primarias”

Integrantes: ANTONIO JONATHAN FERREYRA MENDOZA MAYTE JAZMIN ALARCÓN GARCÍA JIMENEZ MARTINEZ JESSICA STEFANY ROBERTO ALEXANDER CEJA SALAS

Fecha de entrega 03 de abril del 2017

OBJETIVO Conocer los componentes y la estructura de las pilas primarias, establecer la reacción global de la celda, construir la curva de descarga de la pila y comparar la capacidad teórica anódica y catódica con la capacidad practica obtenida cuando la celda es descargada a través de una resistencia.

RESUMEN Se procedió a abrir una pila y retirar los materiales activos, la parte catódica, mezcla de carbón-dióxido de magnesio se filtró con ácido clorhídrico concentrado y se lavó con agua para poder determinar la cantidad de iones Mg 2+ presentes y la cantidad de carbón. Después se midió el pH de la solución y se le agrego NaOH 10% peso (titulación) hasta alcanzar un valor de pH de 4, para esto obtuvimos un pH de 3.76 y a esta solución se le añadió 5.37 g de fluoruro de amonio y se observó que la mezcla se aclaró, Por último se valoró 3 veces con una solución de KMnO4 la titulación anterior y se observó el cambio de color de incoloro a rosa. Se realizó la descarga de la pila con una resistencia de 3.2 Ohm para evaluar su contenido de energía, la descarga se observó en el voltímetro y cada 5 minutos se registró el valor del voltaje de la pila.

INTRODUCCIÓN El término pila, denomina los generadores de electricidad basados en procesos químicos normalmente no reversibles, o acumuladores de energía eléctrica no recargables; mientras que batería se aplica generalmente a los dispositivos electroquímicos semirreversibles, o acumuladores de energía eléctrica que sí se pueden recargar. En la fig.1 se puede observar una clasificación general de las pilas.

1

Fig.1 Clasificación de pilas

En esta práctica nos enfocaremos al funcionamiento y contenido de la pila alcalina, a continuación, los siguientes fundamentos teóricos: Una pila alcalina se fundamenta en la reacción de oxidación reducción que se da entre el zinc metálico y el dióxido de manganeso en medio básico (de ahí el nombre de “alcalina”). Como electrolito contiene hidróxido de potasio, KOH, que es el que aporta el medio básico requerido por la reacción y cuya migración evita la polarización de la pila. En el ánodo, se produce la oxidación del Zn pulverizado, mientras que, en el cátodo, se produce la reducción del óxido de manganeso (IV), MnO2, (que actúa como oxidante) para dar óxido de manganeso (III), Mn2O3. Las semirreacciones que se producen son las siguientes: Ánodo: semireacción de oxidación − : 𝑍𝑛(𝑠) + 4𝑂𝐻(𝑎𝑐) → 𝑍𝑛(𝑂𝐻)2− 4 (𝑎𝑐) + 2𝑒 Cátodo: semireacción de reducción − 2𝑀𝑛𝑂2(𝑠) + 2𝐻2 𝑂 + 2𝑒 → 𝑀𝑛2 𝑂3 ∗ 𝐻2 𝑂(𝑆) + 2𝑂𝐻(𝑎𝑐) En una pila alcalina, (Fig.2), el ánodo está formado por zinc pulverizado, y el cátodo es una barra de acero rodeada de una pasta espesa y negruzca de MnO2, KOH y agua. Se producen multitud de reacciones paralelas en función de las condiciones del entorno. Por ejemplo, la reacción de producción de hidrógeno:

𝑍𝑛 + 2𝐻2 𝑂 + 2𝑂𝐻− → [𝑍𝑛(𝑂𝐻 )4 ]2− + 𝐻2 2

El proceso global de una pila alcalina se puede escribir como: 2− − + 𝑀𝑛2 𝑂3 ∗ 𝐻2 𝑂(𝑆) + 2𝑀𝑛𝑂2(𝑠) + 2𝐻2 𝑂 → 𝑍𝑛(𝑂𝐻)4(𝑎𝑐) 𝑍𝑛(𝑠) + 2𝑂𝐻(𝑎𝑐)

Fig.2 Composición de una pila alcalina Una pila alcalina basada en esta reacción Zn/MnO2 en medio básico tiene una fuerza electromotriz o potencial estándar de 1,5V, se conserva la fem estable durante más tiempo.

PROCEDIMIENTO experimental MATERIAL, EQUIPO y REACTIVOS Por grupo  1 balanza analítica  1 desarmador plano  1 Segueta  1 pinzas de aguja  1 pinza  1 bomba de vacío con trampa para la filtración 3

Por equipo  1 voltímetro  2 cables caimán  1 resistencia de 2.7 o 5.0 ohm  1 micro espátula  1 embudo para filtración con su tapón horadado  Filtros de fibra de vidrio  1 cronometro  1 agitador magnético  1 pH-metro  1 bureta de 25 mL  3 vasos de precipitados de 100 mL  1 vaso de precipitado de 500 mL  2 matraces Erlenmeyer de 250 mL  1 matraz aforado de 250 mL  1 matraz aforado de 100 mL  1 probeta de 100 mL  1 soporte universal  Pinzas  1 parrilla eléctrica  2 pilas comercial AA (SONY) Reactivos  Permanganato de potasio (KMnO4)  Ácido clorhídrico (HCl)  Hidróxido de Sodio (NaOH)  Fluoruro de amonio (NH4F)  Oxalato de Sodio (opcional)  Ácido sulfúrico concentrado (H2SO4 )  Buffer (pH: 4 y pH: 7) para calibrar el pH-metro.  Agua desionizada

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METODOLOGÍA EXPERIMENTAL PROCEDIMIENTO. Parte 1: Paso 1. Se procederá a abrir una de las pilas comerciales para retirar los dos materiales activos. Antes de abrir, pesar la pila completa (m (pila) =16.4101g). Con cuidado y paciencia (toma mucho tiempo), ayudándose de la segueta, el desarmador plano o la pinza de aguja, abrir la pila de forma vertical. Si la pila es de zinc-carbón o la versión “heavy-duty”, la cubierta exterior es el ánodo de zinc. La mezcla catódica (carbón y dióxido de manganeso) parte negra, es extraída con cuidado. Todas las partes, la cubierta de zinc, el electrodo y la mezcla catódica se pesan en una balanza analítica y se anotan sus masas. En la pila alcalina el cátodo está localizado alrededor de la cara interior de la cubierta y la mezcla anódica está en el centro de la pila y dentro de un material plástico que es el separador. En este caso el material activo anódico debe ser extraído del gel de soporte para después ser pesado (Tabla 1: Masas de todas las partes de la pila). Paso 2. Una muestra del material catódico es analizada disolviendo el dióxido de manganeso y filtrando el carbón en suspensión en un papel filtro previamente pesado. Anotar su masa (m (filtro)= 0.6209 g). La ganancia en peso del papel filtro permite conocer el contenido de carbón en la pila. El contenido de dióxido de manganeso en la mezcla catódica se determina disolviendo una cantidad conocida de la mezcla y efectuando un análisis volumétrico estándar. Paso 3. Este paso es muy lento, por tanto lleva tiempo. En el papel de filtro previamente pesado, pesar aproximadamente 1 g de la mezcla carbón-MnO2. Anotar la masa precisa (m (MnO2)=1.0058 g). Se moja con agua desionizada y se coloca en un 5

embudo de vidrio sobre un matraz Erlenmeyer de 250 mL con tapón horadado. Conectar a una bomba de vacío y llevar a la campana de extracción. Inicie la filtración, donde se le agregarán 10 mL de ácido clorhídrico concentrado y después otras dos porciones de 5 mL, cada una. Al disolver el dióxido de manganeso en ácido se producen iones Mn +2 según: MnO2 (s) + 4 H+ (ac) + 2 Cl- (ac) → Mn+2 (ac) + 2 H2O (l) + Cl2 (g)

(3)

Una vez agregado el HCl (concentrado) se enjuaga el papel de filtro con agua desionizada hasta obtener un volumen aproximado de 150 mL. Paso 4. Primero se calibra el pH-metro con el botón de arriba (calibrar) con el buffer de 10, luego se ajusta con el buffer de 4. Ya calibrado el pH-metro se procede a medir el pH de la solución, la cual será muy ácida. Se debe ajustar a un pH de 4.0 agregando poco a poco la solución de NaOH al 10% en masa. Hay que tener paciencia y precaución pues al inicio no se observan cambios en el pH, pero luego bruscamente aumenta. Si no se hace con cuidado se corre el riesgo que el pH se pase a un pH>4 y el experimento ya no funciona. Cuando se alcance el pH de 4.0, a esta solución se le agrega 5.37 g de fluoruro de amonio (se disuelve el precipitado, en caso de existir). La solución se aclara. Por último, aforar hasta 250 mL de solución. En caso de que el volumen sea mayor a 250 mL, medir el volumen preciso y anotarlo. Paso 5. Se valora esta solución, con una solución previamente preparada y valorada (opcional) de KMnO4. Se toma una alícuota de 25 mL de la solución anterior y se procede a valorar con la solución de permanganato:

6

4 Mn+2(ac) + MnO4-(ac) + 8 H+ (ac) + 25 F-(ac) → 5 MnF5-2(ac) + 4 H2O (l)

(4)

La detección del punto final de la valoración se puede obtener al primer cambio de color, de incolora a rosa. Realicen al menos tres titulaciones. Anoten el volumen de KMnO4. Parte 2. Realizar esta segunda etapa de la práctica en paralelo. Se usará la otra pila comercial, de la misma marca que la de la parte 1, la cual será descargada a través de una resistencia de 3.2 ohm para evaluar su contenido de energía. Hacer el montaje de la pila con dos caimanes conectados al voltímetro. En primer lugar se mide el voltaje de la pila a circuito abierto. Luego se conectan las terminales de la pila a la resistencia manteniendo el voltímetro conectado en paralelo. Una vez que se conecta la pila a la resistencia, éste es el tiempo cero del proceso de descarga y cada 3 a 5 minutos debe anotarse el valor del voltaje de la pila (Tabla 2: Voltaje y tiempo). El proceso de descarga debe continuarse sin interrupción hasta que el voltaje de la pila disminuya hasta aproximadamente 0.25 V (aproximadamente 3 horas).

7

RESULTADOS. Análisis del contenido y estructura de una pila comercial (Sony) Características de la pila 1.5 V AA Masa de pila completa antes de abrir fue de 16.4101g Partes de la pila masa 6.7938 g Mezcla carbón-MnO2 = 2.6985 g Cubierta de metal #1 = 3.5360 g Cubierta de metal (zinc) #2 = Cubierta plástica = 0.1934 g Cubierta de carbono (papel) = 0.3150 g 0.2213 g Lamina pequeña = 0.1946 g Lamina plana = 0.0663 g Asiento de papel = Aro de plástico negro = 0.0308 g Aro verde = 0.0316 g 0.1816 g Rueda rojo transparente = 1.1455 g Barra de grafito = 0.0529 g Aro blanco de papel = Masa de pila completa después de abrir 15.4613g Perdida en % de masa durante la apertura de 5.78% la pila Tabla 1. Masas reportadas de las partes de una pila AA (SONY) Determinación de Carbón y de dióxido de magnesio Peso del papel Filtro 0.6209g Se añadió al papel filtro el material catódico, previamente se húmedo el papel filtro, se colocó en un matraz Erlenmeyer y se le añadió dos porciones de ácido clorhídrico de 10 ml y después se añadieron 2 porciones de 5 ml y por último se enjuago el papel filtro con agua destilada hasta obtener un volumen de 150 ml. Se secó y se determinó el peso del Carbón y la diferencia es el peso del dióxido de magnesio. Peso del papel filtro con el carbón = 1.0058 g La reacción al añadir el ácido clorhídrico es la siguiente: MnO2 (s) + 4 H+ (ac) + 2 Cl- (ac) → Mn+2 (ac) + 2 H2O (l) + Cl2 (g) 8

Calibrar el pH con las soluciones buffer de 7 y 4 De la solución anterior de volumen de 150 ml se determinó su pH =1.74 a esta disolución se le añadió una solución de NaOH al 10% masa hasta tener un pH de 4, para esto, obtuvimos un pH de 3.76. La solución de pH 3.76 tiene un aspecto turbio, después de esto se le añadió 5.3546 g de Fluoruro de amonio y la solución se aclaró, por último se aforo hasta 250 ml de la disolución. Masa NaOH: 10.0635 en 100mL de agua Esta disolución anterior se valoró con KMnO4, tomando una alícuota de 25 ml, esto se realizó tres veces y al observar el final de la titulación fue un vire de incoloro a rosa y la reacción de la valoración es la siguiente: 4 Mn+2(ac)+MnO4-(ac) +8 H+ (ac)+ 25 F-(ac) → 5 MnF5-2(ac) + 4 H2O (l) Resumen de los ml empleados en la titulación: Primera titulación Volumen gastado de KMnO4 = 7mL Segunda titulación Volumen gastado de KMnO4 = 7.5mL Tercera titulación Volumen gastado de KMnO4 = 7.3 mL La Valoración de la solución de KMnO4 (opcional): Esta determinación experimental no se realizó por la corta duración del trimestre. Procedemos a determinar la capacidad teórica anódica (CTA) está dada por: (𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑍𝑛 𝑒𝑛 𝑔)𝑥(𝑐𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦 )𝑥 2 𝑔 𝑠 (𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝑍𝑛 𝑒𝑛 )𝑥(3600 ) 𝑚𝑜𝑙 ℎ Datos: La masa del zinc fue de: 3.5360 g Masa atómica del zinc es de: 65.38 g/mol Sustituyendo los datos tenemos: 𝐶 (3.5360𝑔 𝑑𝑒 𝑍𝑛)𝑥 (96485 𝐴∗𝑠 𝑚𝑜𝑙) 𝑥 2 = 2.899 𝐶 = 2.899 𝑠 = 2.899𝐴 ∗ ℎ 𝑔 𝑠 𝑠 (65.38 ) ℎ 𝑚𝑜𝑙)(3600 ℎ 9

Para la corriente catódica debemos usar: (𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝐷𝑖𝑜𝑥𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑀𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑛 𝑔)𝑥(𝑐𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦 )𝑥 1 𝑠 𝑔 (𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝐷𝑜𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑛 𝑚𝑜𝑙)𝑥(3600 ) ℎ

Datos: Masa del dióxido de carbón con manganeso fue: 1.0058g Cuando se secó después del filtrado, se determinó el peso del Carbón y la diferencia es el peso del dióxido de magnesio que fue Peso del papel filtro con el carbón = 1.0058 g Peso del Carbón=El peso del papel filtro con el carbón menos el peso del papel filtro solo es: 1.0058g-0.5434 g=0.4624 g Por lo tanto el peso del Dióxido de Magnesio es 0.5434 g MM de MnO2: 86.938 g/mol 𝐶 (0.5434𝑔)𝑥 (96485 𝑚𝑜𝑙) 𝑥1 = 0.1675 𝐴 ∗ ℎ 𝑔 𝑠 (86.938 ) 𝑥(3600 ) 𝑚𝑜𝑙 ℎ Las capacidades teóricas anódica y catódica se convierten a joule multiplicando el valor en (A*h) por 3600 y multiplicando el resultado por el potencial de la celda a circuito abierto, medido antes de iniciar la descarga. Capacidades teóricas anódica y catódica en joule: Capacidad anódica: 𝑠 2.899 𝐴 ∗ ℎ 𝑥 3600 𝑥 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 (1.659) = 17313.9876𝐽 = 17.314𝑘𝑗 ℎ Capacidad catódica: 𝑠 0.1675 𝐴 ∗ ℎ 𝑥 3600 𝑥 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 (1.659) = 1000.377𝐽 = 1.000377 𝑘𝑗 ℎ Si hacemos una regla de 3 en cuanto al peso de la mezcla de carbón-MnO2 podemos determinar la capacidad catódica y también la masa de MnO2 1.0058𝑔 1.00377𝑘𝑗 6.7938𝑔 𝑥 = 6.78008𝑘𝑗 1.0058𝑔 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 6.7938𝑔 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎

⋯ 0.5434𝑔𝑀𝑛𝑂4 ⋰ 3.67003𝑔 𝑑𝑒 𝑀𝑛𝑂4

10

Tabla 3 Tipo de

Componente

Celda

Zn (metal), g

Zinc-carbón

3.5360

Capacidad

Teórica, kJ

MnO2, g

Anódica (CTA)

Catódica (CTC)

3.67003

17.314

6.78008

(Tabla 2) Proceso de descarga de batería t (min)

Voltaje

t (min)

voltaje

t (min)

Voltaje

0

1.659

55

0.722

110

0.33

5

1.207

60

0.666

115

0.332

10

1.14

65

0.578

120

0.312

15

1.076

70

0.557

125

0.244

20

0.969

75

0.454

130

0.226

25

0.925

80

0.388

135

0.252

30

0.893

85

0.374

140

0.252

35

0.834

90

0.427

145

0.123

40

0.789

95

0.376

150

0.016

45

0.771

100

0.352

155

0.035

50

0.756

105

0.322

160

0.011

𝑉

Para conocer la corriente simplemente utilizamos la ley de Ohm que es 𝐼 = 𝑅 , utilizamos una resistencia de 3.2 Ω t (min)

I (A)

t (min)

I (A)

t (min)

I (A)

0

0.5184375

55

0.225625

110

0.103125

5

0.3771875

60

0.208125

115

0.10375

10

0.35625

65

0.180625

120

0.0975

15

0.33625

70

0.1740625

125

0.07625

20

0.3028125

75

0.141875

130

0.070625

25

0.2890625

80

0.12125

135

0.07875

30

0.2790625

85

0.116875

140

0.07875

35

0.260625

90

0.1334375

145

0.0384375

40

0.2465625

95

0.1175

150

0.005

45

0.2409375

100

0.11

155

0.0109375

50

0.23625

105

0.100625

160

0.0034375

11

La capacidad práctica en A.h, puede ser obtenida de la variación de potencial 𝑉𝑝𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑐𝑜 =

𝐸𝑓 + 𝐸0 0.011𝑉 + 1.659𝑉 = 0.835𝑉 = 2 2

𝑄=

(𝑉𝑥𝑡)

R=3.2Ω

𝑅

Tabla de variación de q con respecto a t y v t (min)

V(volts)

Q

t (min)

V(volts)

Q

t (min)

V(volts)

Q

0 5

1.659

0

55

0.722

12.409375

1.207

1.8859375

60

0.666

12.4875

110

0.33

11.34375

115

0.332

11.93125

10

1.14

3.5625

65

0.578

11.740625

120

0.312

11.7

15

1.076

5.04375

70

0.557

12.184375

125

0.244

9.53125

20

0.969

6.05625

25

0.925

7.2265625

75

0.454

10.640625

130

0.226

9.18125

80

0.388

9.7

135

0.252

10.63125

30

0.893

8.371875

85

0.374

9.934375

140

0.252

11.025

35

0.834

9.121875

90

0.427

12.009375

145

0.123

5.5734375

40

0.789

9.8625

95

0.376

11.1625

150

0.016

0.75

45

0.771

10.8421875

100

0.352

11

155

0.035

1.6953125

50

0.756

11.8125

105

0.322

10.565625

160

0.011

0.55

Conclusión La conversión de energía química en energía eléctrica en la pila es debido a las reacciones de oxidación y reducción en la misma, para esto se determinó la cantidad de Carbón y de MnO2 presente en una cantidad determinada de la pila, las celdas son tan comunes que solo se diferencia en el contenido del electrolito, pero todas tienen la misma función, con una alícuota de 1 g aproximadamente de carbón-MnO2 se pudo calcular la cantidad neta de los mismos y con la relación de la ley de Faraday se calculó la capacidad teórica catódica y anódica en la pila y este valor correspondiente con el valor experimental, pues al descargar la pila, resulto ser mucho menor, esto puede ser por la calidad de la ésta, ya que algunas pilas comerciales son de mala calidad y tienden a fluctuar, por ejemplo, cuando medimos la corriente inicial en la pila y después colocamos la resistencia para descargar, solo el hecho de manipular la pila y ajustar la resistencia da un valor considerable en la E 0 inicial de 1.659 a 1.207 V. En esta determinación, la consideración de las masas del MnO2 y del Zn son parámetros establecidos en la ley de Faraday para calcular la CTT y CTA. 12

FUENTES: https://www.ecured.cu/Batería_(acumulador_eléctrico) http://www.quimitube.com/reaccion-redox-funcionamiento-pila-alcalina CUESTIONARIO. 1. E...