Electroquímica y Actividad Química de los Metales

OBJETIVO

• Evaluar la actividad química de algunos metales en reacciones de óxido reducción.
• Demostrar que las especies iónicas en solución exhiben un potencial eléctrico.

INTRODUCCIÓN

La electroquímica es el estudio de la relación entre el flujo de electrones y las reacciones químicas en los procesos de oxidación reducción.

En las celdas electroquímicas, electrones de una reacción de oxidación que favorece la formación de productos, se transfieren a través de un circuito externo para producir energía utilizable, donde el voltaje neto de una celda electroquímica depende de la fuerza de los agentes oxidantes y agentes reductores.

Al poner en contacto un electrodo metálico con una solución electrolítica se obtiene una media celda electroquímica. Si se conecta el circuito exterior de dos medias celdas diferentes y al mismo tiempo se conectan sus soluciones mediante un puente salino, se obtiene una celda electroquímica, que es una fuente espontánea de producción de fuerza electromotriz, resultante de la realización simultánea de una reacción de reducción en una de las medias celdas y de una reacción de oxidación en la otra celda.

Cuando se trata de iones metálicos, el metal más activo se oxida y el menos activo se reduce y la reacción se produce hasta que los potenciales de las dos medias celdas se igualen, es decir, se establezca el equilibrio de la reacción.

PROCEDIMIENTO

A continuación, se presentan dos alternativas de trabajo experimental. Dependiendo de la licenciatura, el tamaño del grupo, del equipo y materiales, así como de las condiciones existentes en el laboratorio, el maestro seleccionará la alternativa que considere más conveniente para alcanzar los objetivos planteados.

Actividad Química

Opción 1

Ordene tres series de tubos de ensaye de 18 x 150 mm que contengan cada uno las siguientes soluciones por separado nitrato de plata, nitrato cúprico, nitrato de plomo, nitrato mercuroso y ácido sulfúrico diluido.

A cada uno de los tubos añada por separado laminillas de los siguientes metales previamente pulidos con lija: zinc, cobre y plomo, obteniendo seis series de soluciones combinadas con cada uno de los metales. Después de 10 minutos de reacción, saque los metales de cada serie y observe el residuo y aspecto de las laminillas.

TRATAMIENTO DE RESIDUOS

Todos los residuos generados con las soluciones de nitratos se concentrarán para ser enviadas a tratamiento y las laminillas de los metales que no reaccionaron podrán ser reutilizadas.

Celda Electroquímica. Pila de Daniell

1. Prepare dos vasos de precipitado de 100 mL, uno con 40 mL de una solución de Sulfato de cobre (CuSO₄) 0.5 M y el otro con igual cantidad de Sulfato de zinc, 0.5 M. Los niveles deberán ser iguales en los dos vasos.
2. Con un tubo de vidrio doblado en U, construya un puente salino. Llene este tubo con una solución al 10 % de NaCl, tape los extremos con algodón y úselo para conectar los dos vasos, evitando que se formen burbujas en el tubo con sal, como se muestra en la figura.
3. En la solución de sulfato de cobre, coloque una laminilla de cobre y en la de sulfato de zinc una laminilla de zinc.
4. Cada uno de los electrodos de cobre y zinc átelos a un alambre delgado de cobre y ponga estos alambres en contacto con un papel rojo de tornasol, colocándolo en un vidrio de reloj humedecido con una solución de NaCl al 10%.
5. Deje que la electrólisis prosiga por algunas horas, cuide que el papel tornasol este siempre húmedo; anote los cambios que ocurren en éste y explique.

TRATAMIENTO DE RESIDUOS

Las soluciones pueden ser reutilizadas.

Corrosión de los Metales

1. Tome cuatro clavos de una pulgada. En uno de ellos enrolle una tira angosta de estaño; en otro un alambre de cobre y en el tercer clavo una tira angosta de zinc y deje el último sin recubrimiento.
2. Enumere 4 tubos y coloque los clavos en cada uno de los tubos; cúbralos parcialmente con agua, déjelos reposar de 2 a 3 días y observe los resultados. Vuelva a repetir sus observaciones cinco días después. Anote los cambios. Expliquelos en términos de una pila electrolítica.

TRATAMIENTO DE RESIDUOS

Deseche a la basura los clavos; si queda bueno el alambre se reutiliza, y si no, se desecha a la basura.

CUESTIONARIO

1. Complete y balancee cada una de las reacciones llevadas a cabo.
2. DE acuerdo con la información obtenida ordene los metales según su actividad química.
3. Enuncie la ley de Faraday.
4. Describa las partes principales de una celda electroquímica dibujando una celda e indicando el cátodo, el ánodo y la dirección del flujo de electrones.
5. Mencione algunas reacciones electroquímicas de utilidad por sus aplicaciones.

Opción 2

Se somete cada metal a la acción de los diversos medios oxidantes, determinando que se produce reacción química esencialmente si se observa desprendimiento de gases. Estos gases pueden ser en los casos estudiados: H2 o NO (ambos incoloros) o NO2 (color marrón rojizo). Al oxidarse el metal, el catión obtenido puede estar coloreado en medio acuoso, lo que es otro indicio complementario de que se produce reacción química. Asimismo, de producirse reacción, el metal se disuelve, aunque no en todos los casos es perceptible en poco tiempo.

Los metales que pueden utilizarse son los siguientes: láminas o granalla de metales: Na, Ca, Al, Zn, Cu, Sn, Fe, Pb. Cuando un metal se oxide en uno de los medios empleados, no será necesario someterlo a la acción de otro más oxidante, salvo en caso de duda.

El ataque del sodio se efectúa únicamente con agua y con sumo cuidado y en presencia del maestro, dada la peligrosidad que conlleva si no se toman debidas precauciones.

Los ensayos se deben realizar en CAMPANA DE EXTRACCIÓN y con suma precaución, evitando que los tubos de ensaye apunten a personas debido al riesgo de proyecciones. Como es lógico, esta precaución debe incrementarse en los ensayos que implican uso de ácidos fuertes.

Metales con Agua

1. Prepare siete tubos de ensaye de 18 x 150 mm; coloque una pequeña cantidad de cada uno de los siete metales restantes y agregue a cada tubo 5 mL de agua.
2. Observe en cada caso si hay reacción, anote el color de la solución resultante y el color del gas desprendido, así como una apreciación de la velocidad de burbujeo. 
3. Aquellos metales que no reaccionen con agua fría, se calientan en un baño de agua caliente (alrededor de 60° C) y, observe en cada caso si hay reacción. Anote las características de colores y velocidad de burbujeo ya mencionadas

TRATAMIENTO DE RESIDUOS

Los residuos generados se diluyen con agua, ajuste pH a neutralidad y vierta al drenaje bajo el chorro de agua y los metales que no reaccionaron se sacan y pueden ser reutilizados.

Metales con ácido clorhídrico (HCl)

1. coloque por separado en tubos de ensaye de 18 x 150 mm una pequeña cantidad de los metales que no reaccionaron con el agua.
2. Se añade con sumo cuidado aproximadamente 5 mL de ácido clorhídrico 0.5 M, observando si hay reacción. Si así fuera, el gas desprendido, como en el caso anterior, será hidrógeno (H2), un gas inodoro e incoloro.
3. Aquellos tubos de ensaye en los que no se observe reacción se introducen en un baño de agua, calentando suavemente hasta unos 60°C, agitando el contenido del tubo para evitar sobrecalentamiento.
4. A los metales que no han reaccionado con los ensayos anteriores, se les añade con sumo cuidado 5 mL de ácido clorhídrico concentrado. En este caso, no se calienta la solución si no hay reacción. Anote sus observaciones.

TRATAMIENTO DE RESIDUOS

Los residuos generados se concentrarán para ser enviados a tratamiento y los metales que no reaccionaron se lavan con agua y se secan para ser reutilizados.

Metales con ácido nítrico conc. (HNO3)

En tubos de ensaye de 18 x 150 mm se introducen los metales que no reaccionaron con el agua. Se añaden 5 mL de ácido nítrico concentrado, extremando las precauciones. Anote sus observaciones.

TRATAMIENTO DE RESIDUOS

Los residuos generados se concentrarán para ser enviados a tratamiento y los metales que no reaccionaron se lavan con agua y se secan para ser reutilizados.

CUESTIONARIO

1. Con los resultados obtenidos elabore una tabla en la que se resuma la acción sobre los metales de los diversos medios de poder oxidante creciente: agua fría y caliente, ácido clorhídrico 0.5 M frío y caliente, ácido clorhídrico concentrado y ácido nítrico.
2. Escriba y ajuste todas las reacciones que ocurren con agua, ácido clorhídrico y ácido nítrico, señalando en cada caso las especies oxidantes y reductoras.
3. Ordenar los ácidos empleados en la práctica según su poder oxidante, justificando la influencia en ello, de su concentración.
4. Justificar el efecto de la temperatura en los ensayos realizados.
5. A jusgar por las reacciones observadas:

          a) Ordenar los metales estudiados de menor a mayor fuerza reductora, justificando la respuesta.

          b) Ordenar los metales según valores crecientes del potencial de reducción.

          c) Comparar las dos secuencias anteriores, verificando si hay correspondencia e interpretando las

              diferencias encontradas.