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Tema: Electroquímica

Introducción: A través del paso del tiempo, se ha designado a la energía eléctrica, como una de las energías de mayor importancia en la vida cotidiana, puesto que si se llegara a prescindir de ella, esto generaría múltiples consecuencias y problemas a la sociedad contemporánea. Con el fin de obtener una mayor comprensión acerca de los procesos y metodologías de la electroquímica que se estarán llevando a cabo, se utiliza algo mejor conocido como: reacciones redox. Dichas reacciones dan como resultado la producción de la electrolisis (fenómeno en el que se libera energía), y por consiguiente la misma se convierte en electricidad. Otra sección de gran importancia en el área de la electroquímica se refiere todas aquellas reacciones que generan una corriente eléctrica, proceso que se lleva a cabo en una celda o pila galvánica, en las cuales las reacciones de óxido-reducción son estudiadas, debido a su comportamiento donde casi la mayoría de las veces, éstas se encuentran unidas a un circuito eléctrico. Durante el trabajo experimental siguiente, se estudiará el uso de las celdas galvánicas y la importancia de las reacciones de óxido-reducción en los diferentes procesos llevados a cabo durante los experimentos posteriores, con el fin de producir electricidad.

PARTE

A

Objetivos: Aplicar los conceptos teóricos del funcionamiento una celda electroquímica para entender situaciones cotidianas.

Fundamento teórico : La papa o el limón no generan electricidad como tales, pero al conectar a través de ellos un electrodo de cobre y otro de cinc la impulsan porque contienen electrolitos disueltos en una matriz acuosa. Debido a su alto contenido de azúcares (80% almidón), la papa posee una gran cantidad de enlaces covalentes coordinados, que permiten utilizarla como semiconductor, aunque entre más seca esté, menos capacidad conductora tiene. El limón es un buen conductor porque tiene sustancias que al estar disueltas se disocian en iones (principalmente posee ácido cítrico, que permite que la resistencia del medio sea alta y los iones puedan movilizarse y así mientras en el circuito externo circulan electrones (que dan origen a la corriente eléctrica) en el interior puede ocurrir una reacción de óxido-reducción (en la superficie de dos electrodos). En ambos casos la corriente eléctrica es conducida por un circuito externo (conductores metálicos de 1° especie, por ejemplo, cables) y adentro lo que ocurre es la movilización de iones a través de la solución electrolítica (conductores de 2° especie), lo que se conoce como una corriente no farádica o corriente iónica.

Se puede montar una "pila" conectando dos electrodos de diferentes metales (como cobre y otro de cinc) en una papa, donde la papa actúa como electrólito. Al disponer cobre y cinc en una disolución de electrólito, se produce la reacción redox y los electrones fluyen desde el cinc hasta el cobre, pero en realidad esto es bastante lento. Por ello, los voltajes obtenidos por papa no suelen superar los 0,5 V y los 0,2 mA (miliamperios). Colocando las papas en serie (para aumentar el voltaje) se pueden conseguir pilas más potentes.

Materiales utilizados: 

Papas grandes



Bowl



Limón



Agua filtrada



Sal



Pedazo de chapa galvanizada (zinc)



Alambre de cobre



Focos



Multímetro



Limones



Herramientas



Cuchara



Cuchillo

Procedimiento Para comenzar se consiguieron los materiales necesarios para llevar a cabo cada experimento. Experiencia A1: Iniciamos la experiencia dejando en remojo a las papas durante un lapso de tiempo aproximado de 2.30 hs. En segundo lugar se colocó una chapa de cobre en un extremo y una chapa de zinc en el otro extremo de cada papa. Luego se procedió a conectar las papas en serie, uniendo el cobre de una con el cinc de la otra y finalmente uniendo los terminales a un foco led de bajo voltaje para evidenciar la existencia y el paso de corriente. Experiencia A2: Al circuito realizado anteriormente, se le conecta un multímetro para medir el voltaje y la cantidad de corriente que circula por él.

Repetimos estas mediciones en un circuito conformado por 1, 3 y 4 papas que se encuentran conectadas en serie. Experiencia A3: Comenzamos dejando en remojo el limón durante un lapso de tiempo aproximado de 2.30 hs. En segundo lugar se colocó una chapa de cobre en un extremo y una chapa de zinc en el otro extremo del limón. Luego se procedió a conectar los limones en serie, uniendo el cobre de una con el cinc del otro y finalmente uniendo los terminales a un foco led de bajo voltaje para evidenciar la existencia y el paso de corriente. Para finalizar al circuito se le conecta un multímetro para medir el voltaje y la cantidad de corriente que circula por él.

El procedimiento detallado: 1. Se lavan las papas y el limón para quitar cualquier agregado que pueda llegar a afectar el desarrollo de la experiencia.

2. Colocamos Sal en un recipiente y luego le agregamos agua para formar salmuera.

3. En el recipiente anteriormente utilizado colocamos las papas y estas quedan en remojo durante, aproximadamente, 2.30hs. 4. Mientras este tiempo transcurre, se realiza el corte de la chapa galvanizada para obtener 5 cuadros de chapas de cinc y luego proceder al armado del circuito. A su vez realizamos el armado de 5 rollitos de alambre de cobre que también serán utilizados en el armado del circuito.

5. Pasadas las 2.30hs sacamos las papas y, con ayuda de utensilios de cocina, logramos realizar las aberturas en los extremos de cada una para la colocación de la chapa de cinc. Luego se colocó uno de los rollitos de alambre en el extremo opuesto de cada papa. 6. Armamos el circuito conectando las papas en serie (uniendo el cobre de una papa con el cinc de la otra) y luego precedemos a conectar un foco led en los terminales de los extremos.

**ACLARACION!!!! Tuvimos problemas con el foco que estábamos utilizando ya que no encendía, llegamos a pensar que era por algún error de ensamblado que podríamos haber cometido en el desarrollo; pero, al adelantarnos y verificar la cantidad de corriente y voltaje que circulaba, nos dimos cuenta que el causante de la falla en el funcionamiento de la experiencia fue el foco (era de un voltaje muy grande a comparación del voltaje de la papa).

** . 7. Como ya anticipamos en la ACLARACION!!! Con ayuda del multímetro podemos ver que si circula corriente y; que la cantidad de voltios y corriente que circula es de 0.99

8. Procedemos a realizar las mediciones de voltaje y corriente en un circuito formado por 1, 3 y 4 papas. * Realizando la medición de 1 papa, notamos que esta, por sí sola no es capaz de encender el foco porque no cuenta con la suficiente cantidad de voltaje necesaria para el funcionamiento del foco.

* * Al intentar realizar la medición del circuito de 3 papas notamos que las últimas 2 papas preparadas con su respectiva chapa de cinc y su rollo de cobre no reaccionaron como era esperado ya que no se encontraban en buen estado. Lastimosamente ya era de tarde/noche y por cuestiones de las medidas de prevención contra el COVID no encontramos una verdulería abierta para comprar y preparar nuevas papas. Entonces terminamos de trabajar con las papas luego de la medición del circuito formado por 1 papa y dejando como pendiente el estudio de los circuitos restantes.**

9. Ahora procedemos a trabajar con el limón. Con ayuda de utensilios de cocina, logramos realizar las aberturas en los extremos del limón para la colocación de la chapa de cinc. Luego se colocó uno de los rollitos de alambre restante en el extremo opuesto del limón y unimos, a los terminales, un foco led que, nuevamente no evidencia el paso de corriente pero por falta de voltaje.

10. Luego pasamos a desconectar el foco y en su lugar conectamos el multímetro y vemos la cantidad de voltios y corriente que circula.

Ecuaciones que se dan en el ánodo y el cátodo: Ánodo: Zn(s) → Zn²⁺ (ac) + 2e⁻ Catodo: Cu⁺²(ac) + 2e⁻ → Cu(s)

¿Cómo determina la cantidad de corriente generada en el circuito por cada papa? ¿Todos los Circuitos armados con una sola papa producirán la misma cantidad de corriente? ¿Por qué? La cantidad de corriente generada en el circuito por cada papa no se determina porque las papas no generan corriente ya que estas actúan como electrolitos. La cantidad de corriente generada se determina mediante las reacciones del cinc y del cobre. Todos los circuitos armados por una sola papa no producen la misma cantidad de corriente ya que la capacidad de conducción depende de que tan mojadas se encuentren estas.

¿Cree que esta sería una opción sustentable para la producción de energía? ¿Por qué? Esta opción no es del tipo sustentable ya lo que los voltajes obtenidos por la papa no suelen superar los 0.5V y los 0.2mA. Para aumentar el voltaje debemos colocar las papas en serie pero aun así deben ser muchas para conseguir pilas de gran potencia.

¿Qué reacciones ocurren en el limón? ¿Cuánta energía se produce? ¿Qué vegetal le pareció más eficiente? ¿A qué cree que se debe? Escriba las ecuaciones y realice los cálculos. En el interior del limón puede ocurrir una reacción de oxidación (en la superficie de dos electrodos). Usualmente no supera 1 V y una corriente de aproximadamente 0,1 mA como máximo. El limón es más eficiente que la papa debido a su mayor acidez. Zn(s) → Zn²⁺ (ac) + 2e⁻

E°=0.76

Cu⁺²(ac) + 2e⁻ → Cu(s)

E°=-0.338

2 H⁺+ 2 e⁻ → H₂

E°=0.00

E=0.422

PARTE B Objetivos: Armar una batería usando latas de aluminio y cables de cobre . Fundamento teórico: Una batería es un dispositivo que almacena energía química para ser liberada más tarde como electricidad. Algunas baterías están formadas por una sola pila voltaica con dos electrodos y un electrolito adecuado; un ejemplo es la pila de una linterna. Otras baterías están formadas por dos o más celdas voltaicas conectadas en serie, es decir, polo positivo con negativo, para aumentar el voltaje total; un ejemplo es la batería de un automóvil.

Materiales utilizados: 4 latas de aluminio Cable de Cobre Abrelatas 100g de sal por cada lata Agua filtrada Servilletas de papel Multímetro

Procedimiento: Para comenzar se consiguieron los materiales necesarios para llevar a cabo cada experiencia. Experiencia B1: Conseguir al menos 4 latas de Al (de bebidas gaseosas) y un cable de Cu (parte interna de los cables convencionales revestidos de plástico). Con un abrelatas, quitar la parte superior de las latas, sacarles el filo y hacer un orificio del diámetro de un cable en la parte superior (el cuello) de las mismas. Agregar 100 g de NaCl (s) y llenarla hasta el borde con agua. Homogeneizar bien. Enrollar una

servilleta de papel y enrollar por fuera el cable de Cu. Cubrir con servilletas de papel hasta que entre en la lata sin tocar las paredes de la misma y determinar el voltaje de esta pila conectando una pinza de cada polo del multímetro a cada metal. Experiencia B.2: Replicar tres veces el procedimiento de la experiencia B.1 y, usando un cable de Cu sin pelar, conectar en serie las pilas para obtener una batería. Entre los cables de los 2 extremos (1 y 4), coloque un amperímetro y determine el voltaje. Luego coloque un foquito de linterna y observe que sucede.

El procedimiento detallado: 1. Luego de limpiar las latas, procedemos a quitar la parte superior de estas. 2. Realizamos un orificio en el cuello de la lata 3. Dentro de cada lata colocamos 100g de Nacl y despues agregamos agua hasta llegar al borde. Luego lo mezclamos hasta homogeneizar.

4. Colocamos una servilleta de papel alrededor del cable de cobre e introducimos en la salmuera sin tocar las paredes de la lata y determinamos el voltaje de la pila utilizando el multímetro. (0.53V)

5. Repetimos este proceso 3 veces, obteniendo como resultado una batería formada por 4 pilas

6. Unimos los cables 1 y 4 con un multímetro, y, con esto determinamos el voltaje .

Conociendo el volumen de una lata, determinar la concentración en %p/v y en M de la solución de NaCl en la misma (considere despreciable el volumen del NaCl (s) y utilice el volumen total consignado en la lata).

Datos: Volumen total de la lata: 473ml ;



%p/v= M=

Masa Nacl=100g

100 g Nacl = 0.211%p/v 473 ml SL

100 g Nacl 473 ml SL

x

1 mol de Nacl 58.5 g NaCl

x

1000 ml SL = 3.61 M 1 L SL

Determinar cuál es el polo positivo y cuál el negativo de la pila formada en la experiencia B.1 y consignar su voltaje. El polo positivo seria el cobre y el polo negativo seria el aluminio de la lata . Su voltaje es igual a 0.53

Realice un esquema de la batería armada en la experiencia B.2 y determine su voltaje.

¿Cuál es el voltaje con el cual se encendió el foco? ¿Se hubiera encendido si conectábamos sólo 2 latas? Explique. El foco se encendió con el voltaje de la batería formada por 4 pilas donde la pila1=0.53 + pila2=0.51 + pila3=0.48 + pila4=0.48 danto un voltaje total de 2.00V. Si se hubiera encendido si solo conectábamos 2 latas ya que el foco led necesita un voltaje mucho menor a la sumatoria de dos latas.

¿Cómo se puede aumentar la potencial de la pila? Añadiendo lavandina o agua oxigenada a la solución de sal y agua podemos aumentar el potencial de cada pila y por ende el de la batería.

Conclusión: En esta nueva experiencia llevada a cabo sobre el tema "Electroquímica" pudimos observar que existen varias formas de obtener energía utilizando materiales comunes. Como lo plantea el título, al ser una experiencia casera todos los materiales que se utilizaron fueron de fácil acceso al ser productos hogareños y/o económicos. Sin embargo, esto no hizo que quedemos exentos de problemas. El foco afecto nuestra experiencia como espectadores del paso de corriente y el mal estado de las papas no permitió que realicemos una pila en serie de mayor dimensión.

Aun así, podemos decir que logramos el objetivo de las experiencias ya que gracias al multímetro pudimos ver que la corriente si se generaba y que circulaba por nuestros circuitos; entendiendo asi la relación de lo cotidiano con los conocimientos de química....