Pila de limón y electrolisis NaCl
Necesito ayuda para montar con éxito una pila de limón y realizar una electrolisis de NaCl. Para la pila del limón quiero utilizar como electrodos cinc y cobre, ¿de dónde los puedo sacar? Cuando ya la tenga montada, que he de hacer para descubrir su diferencia de potencial (sin usar el voltímetro, o sea con una ecuación o algo así). Para la electrolisis de NaCl, que electrodos puedo utilizar que sean fácilmente obtenibles y que procesos ocurren en estos (como es la oxidación de uno y la reducción del otro). Cuando ya la tenga montada, que parámetro o parámetros puedo identificar fácilmente de esta siempre mediante ecuaciones o algo así, no con aparatos tipo voltímetro, como ya he dicho en la pila del limón.
3 Respuestas
Respuesta de minipimer
1
Perdona que no te haya respondido antes pero tengo menos tiempo del que quisiera para conectarme, espero no llegar demasiado tarde.
Pila de limón: Ahora mismo la forma más fácil que se me ocurre de conseguir el Zn es del electrodo negativo de una pila seca (normalmente se hacen de Zn) o también puedes desarmar una pila alcalina (MnO2/Zn) y extraerlo del ánodo.
Para obtener el Cu puedes recurrir a cualquier cable o enchufe eléctrico, también de los circuitos electrónicos o de material de cerrajería.
Una vez tengas los electrodos debes lijarlos y limpiarlos bien con alcohol o acetona (si contienen óxido, el cobre adquiere un color negro mientras que el de Zn es blanco, en cuyo caso lo ideal es pasarles un poco de ácido clorhídrico; puedes probar con un poco de agua fuerte).
Ahora sólo te queda realizar bien las conexiones y asegurarte de que el cable que una los dos electrodos esté firmemente sujeto a éstos (puedes usar pegamento Poxipol para los contactos metálicos).
La diferencia de potencial de la pila podemos aproximarla mediante la ecuación de Nernst para sistemas en equilibrio:
Cátodo: Cu2+ + 2e = Cu E0=0.3402 V
Ánodo: Zn = Zn2+ + 2e E0=-0.7628 V
Ecuación de Nernst:
Como Epila=Ecát - Eán se obtiene:
teniendo en cuenta R=8.314 J/molK; F=96485 C/mol; T=298K; n=2 y aZn2+=aCu2+ en el limón.
Electrolisis del NaCl:
Lo primero que necesitas para realizar cualquier electrolisis es una fuente de alimentación o generador de corriente (pila de petaca) ya que sabes que la electrolisis se basa en invertir la reacción espontánea y, por tanto, necesitas suministrar energía (eléctrica).
Reacciones en los electrodos:
Cátodo: 2H+ + 2e = H2 E0= 0.00 V
Ánodo: 2Cl- = Cl2 + 2e E0= 1.33 V Reacción buscada
2H2O = O2 + 4H+ + 4e E0=1.23 V Reacción competitiva
Para la reacción necesitas electrodos inertes, pero cuidado, la producción de oxígeno está más favorecida termodinámicamente por lo que hay que buscar ánodos en los que la formación de cloro esté cinéticamente favorecida (mayor densidad de corriente de intercambio y menor sobrevoltaje). Prácticamente el único que puedes emplear por ser el más económico el de grafito (presenta problemas de inestabilidad porque puede oxidarse, luego se consume) ya que los de Ti/Pt y Ti/RuO2 son muy caros y menos accesibles.
Dentro de los detalles técnicos, no debes trabajar a pH superiores a 4 para evitar la descomposición del cloro a hipoclorito y, por tanto, te interesa separar las células de trabajo para que, en caso de que el pH aumente ( momento en el que la reducción del agua producirá hidroxilos: H2O + 2e = H2 + 2OH-) el Cl2 no entre en contacto con los OH- del medio para dar hipoclorito.
En este caso la ecuación de Nernst no sirve para realizar los cálculos puesto que en la electrolisis se manejan parámetros cinéticos, no de equilibrio, por tanto deben emplearse la ecuación de Butler-Volmer:
Por tanto para calcular tanto el sobrevoltaje (necesario para saber el potencial de la pila) como la densidad de corriente que circula (con lo que podrías calcular la producción de cloro por unidad de tiempo o el rendimiento) necesitas la ayuda de aparatos (voltímetro y amperímetro). La identificación de la cantidad de cloro producida también se puede hacer de forma aproximada por métodos analíticos clásicos si dejas que se de la transformación en hipoclorito (antes comentada) y haciéndolo reaccionar con yoduro potásico en medio ácido donde se generan yodo molecular e iones cloruro. Este yodo se puede valorar con tiosulfato sódico.
Sin embargo siento no poder ayudarte con una sugerencia más casera pero me temo que las medidas cinéticas son más difíciles de obtener de forma artesanal en casa.
Pila de limón: Ahora mismo la forma más fácil que se me ocurre de conseguir el Zn es del electrodo negativo de una pila seca (normalmente se hacen de Zn) o también puedes desarmar una pila alcalina (MnO2/Zn) y extraerlo del ánodo.
Para obtener el Cu puedes recurrir a cualquier cable o enchufe eléctrico, también de los circuitos electrónicos o de material de cerrajería.
Una vez tengas los electrodos debes lijarlos y limpiarlos bien con alcohol o acetona (si contienen óxido, el cobre adquiere un color negro mientras que el de Zn es blanco, en cuyo caso lo ideal es pasarles un poco de ácido clorhídrico; puedes probar con un poco de agua fuerte).
Ahora sólo te queda realizar bien las conexiones y asegurarte de que el cable que una los dos electrodos esté firmemente sujeto a éstos (puedes usar pegamento Poxipol para los contactos metálicos).
La diferencia de potencial de la pila podemos aproximarla mediante la ecuación de Nernst para sistemas en equilibrio:
Cátodo: Cu2+ + 2e = Cu E0=0.3402 V
Ánodo: Zn = Zn2+ + 2e E0=-0.7628 V
Ecuación de Nernst:
Como Epila=Ecát - Eán se obtiene:
teniendo en cuenta R=8.314 J/molK; F=96485 C/mol; T=298K; n=2 y aZn2+=aCu2+ en el limón.
Electrolisis del NaCl:
Lo primero que necesitas para realizar cualquier electrolisis es una fuente de alimentación o generador de corriente (pila de petaca) ya que sabes que la electrolisis se basa en invertir la reacción espontánea y, por tanto, necesitas suministrar energía (eléctrica).
Reacciones en los electrodos:
Cátodo: 2H+ + 2e = H2 E0= 0.00 V
Ánodo: 2Cl- = Cl2 + 2e E0= 1.33 V Reacción buscada
2H2O = O2 + 4H+ + 4e E0=1.23 V Reacción competitiva
Para la reacción necesitas electrodos inertes, pero cuidado, la producción de oxígeno está más favorecida termodinámicamente por lo que hay que buscar ánodos en los que la formación de cloro esté cinéticamente favorecida (mayor densidad de corriente de intercambio y menor sobrevoltaje). Prácticamente el único que puedes emplear por ser el más económico el de grafito (presenta problemas de inestabilidad porque puede oxidarse, luego se consume) ya que los de Ti/Pt y Ti/RuO2 son muy caros y menos accesibles.
Dentro de los detalles técnicos, no debes trabajar a pH superiores a 4 para evitar la descomposición del cloro a hipoclorito y, por tanto, te interesa separar las células de trabajo para que, en caso de que el pH aumente ( momento en el que la reducción del agua producirá hidroxilos: H2O + 2e = H2 + 2OH-) el Cl2 no entre en contacto con los OH- del medio para dar hipoclorito.
En este caso la ecuación de Nernst no sirve para realizar los cálculos puesto que en la electrolisis se manejan parámetros cinéticos, no de equilibrio, por tanto deben emplearse la ecuación de Butler-Volmer:
Por tanto para calcular tanto el sobrevoltaje (necesario para saber el potencial de la pila) como la densidad de corriente que circula (con lo que podrías calcular la producción de cloro por unidad de tiempo o el rendimiento) necesitas la ayuda de aparatos (voltímetro y amperímetro). La identificación de la cantidad de cloro producida también se puede hacer de forma aproximada por métodos analíticos clásicos si dejas que se de la transformación en hipoclorito (antes comentada) y haciéndolo reaccionar con yoduro potásico en medio ácido donde se generan yodo molecular e iones cloruro. Este yodo se puede valorar con tiosulfato sódico.
Sin embargo siento no poder ayudarte con una sugerencia más casera pero me temo que las medidas cinéticas son más difíciles de obtener de forma artesanal en casa.
Respuesta de janderkla
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No se a que te refieres con una pila de limón pero parece que usas los electrodos correctos, el electrodo de zinc en una solución de zinc y el de cobre en una solución de sulfato de cobre. ¿Dónde conseguir el material? Muy sencillo, guarda las pilas gastadas, luego has de desmontarlas, el recubrimiento de la pasta negra, es zinc, ten cuidado no lo confundas con la lamina protectora exterior de algunas pilas, has de coger la lamina que esta en contacto con una sustancia negra que es la pasta de la pila. Las pilas mejores son las de 1.5v de cualquier tamaño. Una vez tengas suficiente zinc coges una tapa de latón y lo pones todo a findir al fuego, una vez fundido lo viertes sobre un molde de madera, para ello antes has debido de hacer una brecha en la madera. Una vez se enfríe sacas el electrodo y listos. Para el electrodo de cobre es más simple. Coge unos cables y los enrrollas sobre si mismo, o si no una chapita de cobre que puedes sacar de un aparato eléctrico. Asegurate que es cobre y no latón, el cobre tiene un color rojizo característico, si es amarillento, ya es latón.
No te puedo ayudar para saber la diferencia de potencial dado que con limón no se que reacciones se dan. He de suponer que es la oxidación del zinc y la reducción del cobre, por los electrodos pero no se para que usas limón y no sulfato de cobre y cloruro de zinc. Si sabes que reacciones se dan, has de buscar los potenciales de reducción de cada semireaccion y Aplicar la siguiente fórmula: E=EC-EA donde E es el potencial y los EC es el potencial de reducción del cátodo o electrodo de cobre y EA es el potencial de reducción del ánodo o electrodo de zinc.
Si ademas no usas las concentraciones estándar, es decir no tienes las soluciones a concentración 1M y los electrodos siempre tienen actividad 1 entonces has de usar la siguiente ecuación: E=Eº-0,059/N logK
Donde E es el potencial, Eº el potencial estándar a concentraciones estandards, N es el numero de elctrones que se intercambian que en este caso es 2, y QUE es la constante de equilibrio es decir, concentraciones de productos/reactivos elevados a sus correspondientes exponentes.
Para la electrolisis de NaCl has de tener primero una celda donde puedas tener sal fundida, Si no harás una electrolisis de Cloruro a cloro y de H+ a H2. Para este ultimo tipo, puedes usar electrodos de carbono, estos los encontraras en una pila de las que antes te hable, del polo positivo tienen una varilla, si la sacas con cuidado no se te romperá, piensa que es como la mina de un lápiz pero más gruesa cuesta de sacar sin romperla pero si vas probando lo conseguirás.
Los procesos son:
2Cl- ----> CL2
2H+ ------> H2
El potencial no se puede calcular teóricamente dado que trabajamos con gases y estos tienen un sobrepotencial que varia según las condiciones. El potencial teórico lo puedes calcular igual que en la pila pero colocando las semireacciones del proton y del cloruro en vez de las anteriores. Luego tendrás que añadir un potencial extra de unos 0.5v por formación de gases. Pero este ultimo dato es muy poco fiable, lo más practico es usar un voltímetro.
Espero haberte ayudado y si tienes cualquier otra duda intentarte contestártela.
No te puedo ayudar para saber la diferencia de potencial dado que con limón no se que reacciones se dan. He de suponer que es la oxidación del zinc y la reducción del cobre, por los electrodos pero no se para que usas limón y no sulfato de cobre y cloruro de zinc. Si sabes que reacciones se dan, has de buscar los potenciales de reducción de cada semireaccion y Aplicar la siguiente fórmula: E=EC-EA donde E es el potencial y los EC es el potencial de reducción del cátodo o electrodo de cobre y EA es el potencial de reducción del ánodo o electrodo de zinc.
Si ademas no usas las concentraciones estándar, es decir no tienes las soluciones a concentración 1M y los electrodos siempre tienen actividad 1 entonces has de usar la siguiente ecuación: E=Eº-0,059/N logK
Donde E es el potencial, Eº el potencial estándar a concentraciones estandards, N es el numero de elctrones que se intercambian que en este caso es 2, y QUE es la constante de equilibrio es decir, concentraciones de productos/reactivos elevados a sus correspondientes exponentes.
Para la electrolisis de NaCl has de tener primero una celda donde puedas tener sal fundida, Si no harás una electrolisis de Cloruro a cloro y de H+ a H2. Para este ultimo tipo, puedes usar electrodos de carbono, estos los encontraras en una pila de las que antes te hable, del polo positivo tienen una varilla, si la sacas con cuidado no se te romperá, piensa que es como la mina de un lápiz pero más gruesa cuesta de sacar sin romperla pero si vas probando lo conseguirás.
Los procesos son:
2Cl- ----> CL2
2H+ ------> H2
El potencial no se puede calcular teóricamente dado que trabajamos con gases y estos tienen un sobrepotencial que varia según las condiciones. El potencial teórico lo puedes calcular igual que en la pila pero colocando las semireacciones del proton y del cloruro en vez de las anteriores. Luego tendrás que añadir un potencial extra de unos 0.5v por formación de gases. Pero este ultimo dato es muy poco fiable, lo más practico es usar un voltímetro.
Espero haberte ayudado y si tienes cualquier otra duda intentarte contestártela.
Muchas gracias por tu respuesta, ya que me has resuelto varias dudas. Con la pila del limón me refiero a utilizar el líquido del limón como electrolito, ya que es más fácil de conseguir que el sulfato de cobre y el cloruro de cinc. También me han dicho que puedo utilizar salfumán como electrolito, que es HCl, creo. Ahora quiero preguntarte: ¿No puedo utilizar el cobre y el cinc como electrodos en la electrolisis? ¿Y a que te refieres cuando dices que si no tengo una celda con sal fundida haré la electrolisis del cloruro y de H+ a H2? ¿Qué es la celda con sal fundida? Para facilitar la respuesta te diré que a lo que me refería es a hacer la electrolisis del agua, pero me dicen que para poderla realizar necesito un medio conductor y por eso se le echa sal al agua. El objetivo es liberar hidrógeno y oxigeno del agua. Muchas gracias de nuevo, y espero que me puedas responder a este pequeño popurrí de dudas.
Tienes razón necesitas un medio conductor para poder hacer la electrolisis del agua pero yo diría que si tienes sal común generaras cloro y no oxigeno el en cátodo Aunque ahora me haces dudar. Una celda de sal fundida me refiero a sal de cocina puesta en un horno a unos 450ºC y la sal en estado de fusion es la manera de obtener la electrolisis de sodio y cloro. Aunque ahora un método más practico es mediante un electrodo de mercurio pero no voy a entrar en el tema.
Eso de usar HCl para la solución es correcto, puedes usarlo en la celda de zinc dado que el HCl + Znº --> ZnCl2 + H2 y por tanto el hidrógeno se va y tienes una solución de zinc con un electrodo de zinc. Para la solución de cobre no puedes hacerlo. El cobre no se ataca con el HCl por tanto mi consejo es que le pongas un poco de ácido nítrico (HNO3) pero creo que va a ser más difícil de obtener que el propio sulfato de cobre.
A lo referente de usar electrodos de cobre y zinc para una electrolisis te diré que yo no lo haría por que no son inertes esos electrodos. Necesitas electrodos enertes dado que si no nunca sabrás que reacción se da en cada momento, solo tendrás un lio de reacciones que te generara un montón de espuma y porquería y no veras nada. No te diré que compres 2 electrodos de platino aunque seria lo ideal pero usa al menos electrodos de grafito que son conductores, inertes y los puedes sacar de una pila gastada que no te supone un gran presupuesto je je.
La reacción de hidrólisis del agua es:
2H2O + Energia---> 2H2 + O2
No se si te dará esta reacción dado que el Cl- no es inerte a todos estos procesos pero en todo caso hidrógeno seguro que lo liberaras. Un saludo y si me dejo alguna duda entre tantas dímela de nuevo. Suerte!
Eso de usar HCl para la solución es correcto, puedes usarlo en la celda de zinc dado que el HCl + Znº --> ZnCl2 + H2 y por tanto el hidrógeno se va y tienes una solución de zinc con un electrodo de zinc. Para la solución de cobre no puedes hacerlo. El cobre no se ataca con el HCl por tanto mi consejo es que le pongas un poco de ácido nítrico (HNO3) pero creo que va a ser más difícil de obtener que el propio sulfato de cobre.
A lo referente de usar electrodos de cobre y zinc para una electrolisis te diré que yo no lo haría por que no son inertes esos electrodos. Necesitas electrodos enertes dado que si no nunca sabrás que reacción se da en cada momento, solo tendrás un lio de reacciones que te generara un montón de espuma y porquería y no veras nada. No te diré que compres 2 electrodos de platino aunque seria lo ideal pero usa al menos electrodos de grafito que son conductores, inertes y los puedes sacar de una pila gastada que no te supone un gran presupuesto je je.
La reacción de hidrólisis del agua es:
2H2O + Energia---> 2H2 + O2
No se si te dará esta reacción dado que el Cl- no es inerte a todos estos procesos pero en todo caso hidrógeno seguro que lo liberaras. Un saludo y si me dejo alguna duda entre tantas dímela de nuevo. Suerte!
Respuesta de martinwind
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Espero que no sea muy tarde para responder tu pregunta lo que pasa es que estabas en las afueras haciendo un viajecito y no podía responder tu pregunta. Para los electrodos:
_El de zinc simplemente lo pudes hacer con unas cuantas pilas viejas, tienes que desarmarlas y extraer el zinc es como una pasta negra y derritiendola y usando un molde que te lo puedes ingeniar derretis el zinc y haces el electrodo es muy sencillo.
_Para el de cobre que es el que se va a reducir utilizas unos alambres que lo puedes conseguir en un cable que no te sirva, o cualquier lamina que encuentras por ahy asegurate qeu sea cobre ejje.
Se podría decir muy facilemnte que el que se oxida es el cobre y el que se reduce el zinc el valor del Eº lo puedes sacar en el suplemento numérico (sino lo tienes avisame que te los pasos).
Sumando los potenciales te va a dar el Eº total o sino puedes utilizar la ecuación de Nerst, que es esta
E=Eº-0,059/N log K -s donde N es el valor de los electrones que trabajaste y K es el valor de las concentracion de los productos sobre las concentracion de los reactivos (es sencillo pero vale recalcar). Y S es la sobretension.
La electrolisis del ClNa es muy sencilla y muy común vas a tener Cloruro que va a pasar a Cloro y el Hidrógeno que va a pasar a Hidrógeno 2. El hidrógeno se va a reducir y tiene un potencia = 0 y el Cloruro que pasa a Cloro un potencial de oxidación = -1,35 según mis cálculos.
Te recomiendo que al agua le eches unas cucharitas de sal para tener un medio conductor esto va a ayudar a producir la electrolisis.
_El de zinc simplemente lo pudes hacer con unas cuantas pilas viejas, tienes que desarmarlas y extraer el zinc es como una pasta negra y derritiendola y usando un molde que te lo puedes ingeniar derretis el zinc y haces el electrodo es muy sencillo.
_Para el de cobre que es el que se va a reducir utilizas unos alambres que lo puedes conseguir en un cable que no te sirva, o cualquier lamina que encuentras por ahy asegurate qeu sea cobre ejje.
Se podría decir muy facilemnte que el que se oxida es el cobre y el que se reduce el zinc el valor del Eº lo puedes sacar en el suplemento numérico (sino lo tienes avisame que te los pasos).
Sumando los potenciales te va a dar el Eº total o sino puedes utilizar la ecuación de Nerst, que es esta
E=Eº-0,059/N log K -s donde N es el valor de los electrones que trabajaste y K es el valor de las concentracion de los productos sobre las concentracion de los reactivos (es sencillo pero vale recalcar). Y S es la sobretension.
La electrolisis del ClNa es muy sencilla y muy común vas a tener Cloruro que va a pasar a Cloro y el Hidrógeno que va a pasar a Hidrógeno 2. El hidrógeno se va a reducir y tiene un potencia = 0 y el Cloruro que pasa a Cloro un potencial de oxidación = -1,35 según mis cálculos.
Te recomiendo que al agua le eches unas cucharitas de sal para tener un medio conductor esto va a ayudar a producir la electrolisis.