Potenciales Termodinamicos

POTENCIALES TERMODINÁMICOS

Objetivo

Que el alumno conozca la importancia de los potenciales termodinámicos, su interpretación física y su aplicación en una reacción de óxido-reducción en una pila comercial.

Cuestionario Previo

1. ¿Qué es una reacción de óxido-reducción?

2. ¿Qué es una pila y cuál es el principio de su funcionamiento?

3. Investigar qué es una pila de óxido de plata-zinc, cuál es la reacción de óxido-reducción que

se lleva a cabo en ella y las aplicaciones de este tipo de pilas.

4. ¿Qué es el potencial eléctrico?

5. ¿Qué es el trabajo eléctrico?

6. Escribir la ecuación que relaciona al trabajo eléctrico con el potencial eléctrico para una

reacción de óxido-reducción.

7. Explicar la interpretación física de ΔGº cuando un proceso se lleva a cabo a presión

y temperatura constantes.

8. Investigar la interpretación física de ΔHº y ΔSº cuando un proceso se lleva a cabo a

presión constante.

9. ¿Cuál es la ecuación que relaciona a ΔGº con ΔHº y ΔSº a temperatura constante?

10. Explicar el criterio de espontaneidad y equilibrio asociado con ΔGº a temperatura y presión constantes.

11. Mencionar cuáles son los factores que afectan el signo de ΔGº en la ecuación que

relaciona a ΔGº con ΔHº y ΔSº a temperatura y presión constantes.

Problema

Determinar experimentalmente los potenciales termodinámicos (ΔHºr, ΔGºr y ΔSºr) a 298.15 K de una reacción de óxido-reducción que se efectúa en una pila comercial de óxido de plata-zinc (Ag2O-Zn) y explicar su interpretación física.

Manejo de residuos

Investigar el manejo y tratamiento de las pilas de Ag2O-Zn cuando estas terminan su vida útil.

Se recomienda el uso de un depósito con el propósito de colectar el agua usada durante el trabajo experimental y reutilizarla.

Guardar el aceite de nujol en un frasco para reutilizarlo en prácticas posteriores.

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Material y reactivos

1 termómetro digitala

1 multímetro digitalb

1 controlador de inmersión de temperaturac

1 hielera de unicel

1 vaso de precipitados de 100 mL

2 soportes universales

1 pinza de tres dedos

1 elevador

1 pila comercial de Ag2O-Zn de 1.55 V

1 portapilas

2 cables con conexión de banana (rojo y negro)

aceite de nujol

agua

hielo

NOTA:

aTermómetro digital con resolución de ± 0.1ºC.

bMultímetro digital con resolución de ± 1 x 10-4 V.

cControlador de inmersión de temperatura con estabilidad térmica de ± 0.2ºC.

Desarrollo experimental

Figura 1. Esquema general del dispositivo experimental para la medición de potenciales termodinámicos en una pila comercial de Ag2O-Zn.

Montar el dispositivo experimental de acuerdo al esquema de la figura 1.

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1. Unir los cables con conexión de banana al portapilas, empleando soldadura de estaño, respetando el código de colores (cable rojo: polo positivo y cable negro: polo negativo), para asegurar que la polaridad es la correcta.

2. Sujetar la pila de Ag2O-Zn en el portapilas. Revisar que la polaridad y el contacto eléctrico sean correctos.

3. Colocar aceite de nujol en el vaso de precipitados de 100 mL, y sumergir el portapilas que contiene la pila.

4. Introducir el elevador dentro de la hielera de unicel y colocar sobre éste el vaso de precipitados con el aceite de nujol y el portapilas con la pila.

5. Introducir y encender el termómetro digital dentro del aceite de nujol, sujetándolo al soporte universal con una pinza de tres dedos.

6. Conectar las terminales de los cables del portapilas con el multímetro. Verificar que la polaridad sea correcta.

7. Introducir el controlador de temperatura al baño, ajustándolo con el soporte universal.

8. Colocar en la hielera una mezcla de hielo y agua, y llenar hasta una altura de 20 cm.

9. Encender el multímetro, elegir la escala de voltaje (corriente continua,V) con el selector giratorio y presionar durante un segundo el botón de alta resolución (“Hi Res”) para visualizar en el multímetro la cuarta cifra en la medición del potencial eléctrico (voltaje) (Véase figura 2).

Figura 2. Esquema general del multímetro y su conexión con el portapilas que contiene la pila de Ag2O-Zn.

10. Encender el controlador de inmersión de temperatura (véase la figura 3) con el interruptor diferencial (11), y el botón de encendido (4). Emplear la velocidad de circulación alta (“high”) (8) y ajustar con la perilla indicadora (1) la temperatura en aproximadamente 10ºC y esperar hasta que la luz de calentamiento (6) se apague totalmente y así asegurar que se alcance el equilibrio térmico dentro del baño, y que la temperatura se encuentre alrededor de 10ºC.

NOTA: en caso de contar con un modelo diferente, consultar el manual del equipo.

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11. Registrar el potencial eléctrico a esa temperatura (≈10ºC), en la tabla 1.

12. Mover la perilla indicadora (1) para incrementar la temperatura del baño y cada 5ºC aproximadamente anotar el valor del potencial eléctrico y la temperatura a la que se efectuó la medición. Repetir este procedimiento hasta alcanzar una temperatura de aproximadamente 40ºC y tener siete determinaciones registradas en la tabla 1.

Figura 3. Esquema que muestra las vistas frontal y trasera del controlador de inmersión de temperatura: (1) perilla indicadora de temperatura; (2) botón de reinicio; (3) indicador del punto de seguridad; (4) botón de encendido; (5) botón para refrigeración; (6) luz de calentamiento; (7) luz de enfriamiento; (8) botón para la velocidad de la bomba de circulación; (9) etiqueta de identificación; (10) entrada eléctrica y (11) interruptor diferencial.

Manejo de datos

Completar la tabla efectuando los cálculos requeridos en las columnas.

Tabla 1.

Análisis y discusión de resultados

1. ¿Cuáles son las propiedades que cambian durante el experimento?

2. ¿Cuáles son las propiedades que no cambian durante el experimento?

3. Escribir la ecuación química que se lleva a cabo en

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