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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DEMÉXICOFACULTAD DE QUÍMICALABORATORIO DE QUÍMICA GENERAL IIPrevio práctica 14: Electrólisis del aguaGRUPO DE LAB: 14LABORATORIO C-❏ Alumno: Alfredo Contreras Ramírez❏ Profesor: Marco Antonio Tafoya Rodríguez❏ Semestre: 2019-Índice Objetivo Introducción Tarea previa Dia...

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA

LABORATORIO DE QUÍMICA GENERAL II

Previo práctica 14: Electrólisis del agua GRUPO DE LAB: 14 LABORATORIO C-5

❏ Alumno: Alfredo Contreras Ramírez ❏ Profesor: Marco Antonio Tafoya Rodríguez ❏ Semestre: 2019-2

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Índice

Objetivo

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Introducción

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Tarea previa

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Diagrama de flujo

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Información de seguridad

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Bibliografía

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 Objetivo:  Llevar a cabo la electrolisis del agua  Identificar cuáles son las especies que reaccionan en cada electrodo del aparato de Hoffman  Introducción: La electrólisis del agua es la descomposición del agua (H2O) en los gases oxígeno(O2) e hidrógeno (H2) por medio de una corriente eléctrica continua, suministrada por una fuente de alimentación, una batería o una pila, que se conecta mediante electrodos al agua. Para disminuir la resistencia al paso de corriente a través del agua esta se suele acidular añadiendo pequeñas alícuotas de ácido sulfúrico o bien añadiendo un electrolito fuerte como el hidróxido de sodio, NaOH. Una fuente de energía eléctrica se conecta a dos electrodos, o dos platos (típicamente hechos de algún metal inerte como el platino o el acero inoxidable), como dos chinchetas, las cuales son puestas en el agua. En una celda propiamente diseñada, el hidrógeno aparecerá en el cátodo (el electrodo negativamente cargado, donde los electrones son bombeados al agua), y el oxígeno aparecerá en el ánodo (el electrodo positivamente cargado). La electrolisis de agua pura requiere una gran cantidad de energía extra en forma de sobrepotencial, con respecto al teóricamente necesario para llevarla a cabo (+1,229 V) puesto que se han de sobrepasar varias barreras de activación. Esto se debe en parte a la escasa disociación del agua pura. Téngase en cuenta que la conductividad del agua pura es de una millonésima de la del agua de mar siendo la conductividad típica del agua pura del orden de 0.055 µS·cm−1 Sin esa energía extra, o sobrevoltaje, la electrólisis de agua pura ocurre muy lentamente si es que logra suceder. Varias celdas electrolíticas pueden no tener los electrocatalizadores requeridos. Como se ha comentado anteriormente la eficacia de la electrólisis aumenta con la adición de un electrolito (como la sal, un ácido o una base) y el uso de electrocatalizadores. Las reacciones que tienen lugar en los electrodos son: Reducción en el cátodo: 2H+ (ac) + 2e-  H2 (g) Oxidación en el ánodo: 2H2O (l)  O2 (g) + 4H+ (ac) + 4eSumando las semireacciones anteriores se obtiene la reacción global: 2H2O (l)  2H2 (g) + O2 (g) Como se puede apreciar el número de moléculas de hidrógeno producidas duplica el número de moléculas de oxígeno. Además, el número de electrones transportados a través de los electrodos es el doble del número de moléculas de hidrógeno producidas y el cuádruple del número de moléculas de oxígeno obtenidas.

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Técnicas de electrólisis Voltámetro de Hofmann El voltámetro de Hofmann se utiliza a menudo como una célula electrolítica para hacer electrólisis del agua a pequeña escala. Consta de tres tubos cilíndricos de vidrio unidos. El tubo vertical cilíndrico interior está abierto en la parte superior para permitir la adición de agua y el electrolito. Un electrodo platino se coloca en la parte inferior de cada uno de los dos cilindros laterales, conectados a los terminales positivo y negativo de una fuente de alimentación de corriente continua. Cuando la corriente se hace pasar a través del voltámetro de Hofmann, el oxígeno gaseoso se forma en el ánodo (electrodo positivo) y el hidrógeno gaseoso en el cátodo (electrodo negativo). Cada gas desprendido, debido a la menor densidad de estos con respecto al agua ascienden hacia la parte superior de los tubos desplazando el agua superior, donde se pueden extraer con una llave de paso. Obtención industrial Muchas células de electrólisis industrial son muy similares al voltámetro de Hofmann, con placas de platino complejas o panales como electrodos. Generalmente el hidrógeno que se produce a partir de la electrólisis es para las aplicaciones de uso inmediato, como es el caso de antorchas de oxígeno o cuando se desea hidrógeno u oxígeno de alta pureza. La gran mayoría del hidrógeno se produce a partir de hidrocarburos y como resultado de este proceso suele contener trazas de monóxido de carbono entre otras impurezas. La impureza de monóxido de carbono puede ser perjudicial para varios sistemas, incluyendo muchas células de combustible. Electrólisis a alta presión La electrólisis a alta presión (HPE) es la electrólisis del agua por descomposición del agua (H2O) en oxígeno (O2) y gas hidrógeno (H2) debido al paso de una corriente eléctrica a través del agua. La diferencia con un electrolizador estándar de membrana de intercambio de protones es la salida de hidrógeno comprimido alrededor de 12-20 megapascales (120-200 bar) a 70 ° C. Al presurizar el hidrógeno en el electrolizador se elimina la necesidad de un compresor de hidrógeno externo, el consumo medio de energía para la compresión interna de presión diferencial es de alrededor del 3%.

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 Tarea Previa 1. ¿Cuál es la diferencia entre hidrolisis y electrolisis? Hidrólisis: es una reacción química entre una molécula de agua y otra de macromolécula, en la cual la molécula de agua se divide y sus átomos pasan a formar unión de otra especie química. Esta reacción es importante por el gran número de contextos en los que el agua actúa como disolvente. Electrólisis: es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. En ella ocurre la liberación de electrones por los aniones en el ánodo (una reducción) y la captura de electrones por los cationes en el cátodo (una oxidación). Diferencia: En la electrólisis se utiliza la energía eléctrica para inducir una reacción química no espontánea, es decir, descomponer sustancias ionizadas llamadas electrolitos. Y la hidrólisis sólo es la reacción química del agua con una sustancia que al disolverse combinan sus iones con los iones hidronio o hidróxido. 2. Coloca sobre una escala de potencial de valores de E° (potencial de reducción estándar) para los siguientes pares redox. Escribe y balancea la ecuación química de la reacción espontánea que puede llevarse a cabo entre ambas especies. Par

E° (V)

H+/H2

0

O2/H2O

+1.23

E° (V) 0 H+/H2

1.23 O2/H2O

2H2 (g) + O2 (g)  2H2O (l) 3. ¿Es posible llevar a cabo la reacción espontánea de obtención de hidrógeno y oxígeno a partir de agua? A partir de agua solamente no se podría porque no hay suficientes iones (electrólitos) en el agua pura para transportar una cantidad apreciable de corriente eléctrica Se realizaría mediante la electrolisis del agua: Si aplicamos una diferencia de potencial (ddp) superior a 1,23 V a dos electrodos inertes, sumergidos en agua destilada, se observa que en cada uno de ellos comienzan a desprenderse burbujas que indican que el agua se está descomponiendo en oxígeno e hidrógeno. En el cátodo (negativo) se reduce el ión hidrógeno a hidrógeno gas, el ánodo (positivo) se oxida el ión hidróxido a oxígeno gas.

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 Procedimiento experimental: Electrolisis del agua

Fijar el aparato de Hoffman en un soporte universal. Cuida que este en posición alineada.

Abre la llave de los tubos a y b

En un vaso de precipitado coloca aproximadamente 200 Ml de sulfato de sodio 1 mol/L. Agrega gotas de indicador.

Por el extremo D llena l aparato con la disolución de sulfato de sodio 1 M. Inclina el aparato para liberar aire. Se tiene que continuar agregando la disolución hasta alcanzar el nivel 0 del tubo a y b. Si se pasa se tiene que retirar el exceso con una pipeta.

Cone el electrodo que se encuentra en la salida b, a la terminal negativa (cátodo) de una fuente de poder con ayuda de unos caimanes. Conectar el electrodo que se encuentra en la salida del tubo a la terminal positiva de la fuente de poder.

Enci e la fuente de poder y observa la evolución del gas.

Med e la relación de volúmenes identifica en que tubo se está produciendo el oxígeno y en cual el hidrógeno. Rep el experimento utilizando agua destilada en lugar de la disolución de sulfato de sodio 1 M

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 Información de seguridad Na2SO4 (sulfato de sodio)

 1

0 0 0

Inhalación: Puede irritar la nariz, la garganta y los pulmones, si se exceden los niveles PEL o TLV. Ingestión: Este producto no se considera tóxico, pero no debe ingerirse. Si se ingiere puede irritar la boca, esófago y estómago. Beber soluciones de sulfato de sodio puede causar diarrea. Contacto con los ojos: Puede causar irritación. Contacto con la piel: Puede causar irritación si la exposición es prolongada. No es inflable Estable, bajo condiciones normales de uso Sin riesgo especifico

Propiedades Físicas y Químicas Apariencia: Sólido cristalino Color: Blanco Olor: Inodoro Punto de Fusión: 884ºC pH(10g/l en H₂O): Aprox. 7.6 Densidad: 2.67 g/cm³ Solubilidad en Agua: Aprox. 180 g/l a 20ºC / aprox. 400 g/l a 35ºC Peso molecular: 142.04 g/mol

 Bibliografía 

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GTM. (2014). Hoja de seguridad de sulfato de sodio. http://www.gtm.net/images/industrial/s/SULFATO%20DE%20SODIO%20ANHIDRO. pdf. 5 de mayo de 2019. Anónimo. (s.f.). Electrolisis del agua. https://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3lisis_del_agua. 5 de mayo de 2019.

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