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ELECTRLISIS DEL AGUA

LUIS LEONARDO CARREO TORRES

9 de diciembre 2009

1. Introduccin:

En esta prctica se efectu la electrlisis del agua y un anlisis cualitativo y cuantitativode los gases obtenidos (H2 y O2). En cuanto al anlisis cualitativo se verifico que seobtenan volmenes de gases diferentes. Con respecto al anlisis cuantitativo se calculolos moles obtenidos de cada uno de los gases tanto experimentalmente comotericamente.

La palabra electrlisis proviene de dos races griegas electro( electricidad) ylisis(separacin). Electrolisis entonces es la separacin de una sustancia, en loselementos que la conforman, por medio de la electricidad. En este caso la sustancia quesufre la separacin es el agua, la cual en la reaccion global se separa en H2 y O2.

El proceso de electrolisis se lo realiza por medio de una celda electroltica que consisteen dos electrodos, en forma de garfios, sumergidos en una solucin(en este caso agua) yseparados cierta distancia. Estos electrodos se encuentran conectados a una fuente devoltaje, que proporciona la diferencia de potencial, para que exista el paso deelectricidad. En cada electrodo se encuentra un tubo de ensayo invertido y sumergidoparcialmente en la solucin, en el cual se depositan los gases obtenidos. Este dispositivolo podemos apreciar en la imagen 1.

Imagen 1. Celda electroltica.

El proceso de electrolisis se lo puede generalizar de la siguiente manera:

Se determina la sustancia que se quiere separar en este caso el agua. Si lasustancia es una sal se funde o se disuelve el electrlito en un determinado

solvente, con el fin de que dicha sustancia se separe en iones (ionizacin).
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Se aplica una corriente elctrica contnua mediante un par de electrodosconectados a una fuente de alimentacin elctrica y sumergidos en la disolucin.El electrodo conectado al polo positivo se conoce como ctodo, y el conectado alnegativo como nodo.

Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. As, los iones negativos, oaniones, son atrados y se desplazan hacia el nodo, mientras que los ionespositivos, o cationes, son atrados y se desplazan hacia el ctodo.

La energa necesaria para separar a los iones e incrementar su concentracin enlos electrodos es aportada por la fuente de alimentacin elctrica.

En los electrodos se produce una transferencia de electrones entre stos y losiones, producindose nuevas sustancias. Los iones negativos o aniones cedenelectrones al nodo (-) y los iones positivos o cationes toman electrones delctodo (+).

En definitiva lo que ocurre es una reaccin de oxidacin-reduccin, donde la fuente dealimentacin elctrica se encarga de aportar la energa necesaria.

Este procedimiento se puede observa en la imagen 2.

Imagen 2. Movimiento de los iones en la celda electroltica.

La electrolisis de agua pura requiere una gran cantidad de energa extra en forma de

sobrepotential para romper varias barreras de activacin. Sin esa energa extra laelectrolisis de agua pura ocurre muy lentamente si es que logra suceder. Esto es en partedebido a la limitada autoionizacin del agua. El agua pura tiene una conductividadelctrica alrededor de una millonsima parte de la del agua de mar. Varias celdaselectrolticas pueden no tener los electrocatalizadores requeridos. La eficacia de laelectrolisis aumenta con la adicin de un electrolito (como la sal, un cido o una base) yel uso de electrocatalizadores.

La electrolisis es un proceso fsico-qumico ya que adems de la transformacin delagua en O2 e H2, se produce un paso continuo de corriente elctrica(movimiento deelectrones desde el ctodo al nodo). Por ello es necesario conocer algunos aspectos

importantes de la electricidad.
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En el programa de MICROSOFT ENCARTA 2009 encontramos la siguienteinformacin acerca de la electricidad:

Si dos cuerpos de carga igual y opuesta se conectan por medio de un conductormetlico, por ejemplo un cable, las cargas se neutralizan mutuamente. Esta

neutralizacin se lleva a cabo mediante un flujo de electrones a travs del conductor,desde el cuerpo cargado negativamente al cargado positivamente (en ingenieraelctrica, se considera por convencin que la corriente fluye en sentido opuesto, esdecir, de la carga positiva a la negativa). En cualquier sistema continuo de conductores,los electrones fluyen desde el punto de menor potencial hasta el punto de mayorpotencial. Un sistema de esa clase se denomina circuito elctrico. La corriente quecircula por un circuito se denomina corriente continua (c.c.) si fluye siempre en elmismo sentido y corriente alterna (c.a.) si fluye alternativamente en uno u otro sentido.

MEDIDAS DE CORRIENTES.

El flujo de carga, o intensidad de corriente, que recorre un cable conductor se mide porel nmero de culombios que pasan en un segundo por una seccin determinada delcable. Un culombio por segundo equivale a 1 amperio, unidad de intensidad de corrienteelctrica llamada as en honor al fsico francs Andr Marie Ampre. La ecuacin querelaciona la carga y la intensidad es la siguiente:

q= I t (e.1).

Donde q es la carga que circula por el circuito expresado en coulombio,I es laintensidad(amperios) y t es el tiempo en segundos que estuvo funcionando el circuito.Elampermetro es un dispositivo que permite medir el amperaje del circuito.(imagen 3)

Imagen 3. Ampermetro.

Cuando una carga de 1 culombio se desplaza a travs de una diferencia de potencial de1 voltio, el trabajo realizado equivale a 1 julio, unidad llamada as en honor al fsicobritnico James Prescott Joule. Esta definicin facilita la conversin de cantidadesmecnicas en elctricas.

Una unidad de energa muy usada en fsica atmica es el electronvoltio (eV).

Corresponde a la energa adquirida por un electrn acelerado por una diferencia depotencial de 1 voltio.


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CARACTERSTICAS DE LOS GASES OBTENIDOS EN LA ELECTRLISIS DELAGUA.

El hidrogeno.

Gracias a su estructura atmica relativamente simple, consistente en un solo protn y unsolo electrn, el tomo de hidrgeno junto con su espectro de absorcin ha sido unpunto central en el desarrollo de la Teora de la Estructura Atmica. Adems, laconsiguiente simplicidad de la molcula de hidrgeno diatmico y el correspondientecatin H2

+, permiti una comprensin ms completa de la naturaleza del enlacequmico, que continu poco despus con el tratamiento mecano - cuntico del tomo dehidrgeno, que haba sido desarrollado a mediados de la dcada de 1920

A pesar de que el H2 no es muy reactivo en condiciones normales, forma multitud decompuestos con la mayora de los elementos qumicos. Se conocen millones dehidrocarburos, pero no se generan por la reaccin directa del hidrgeno elemental con el

carbono (aunque la produccin del gas de sntesis seguida del proceso Fischer - Tropschpara sintetizar hidrocarburos parece ser una excepcin pues comienza con carbn ehidrgeno elemental generado in situ). El hidrgeno puede formar compuestos conelementos ms electronegativos, tales como los halgenos (flor, cloro, bromo, yodo) olos calcgenos (oxgeno, azufre, selenio); en estos compuestos, el hidrgeno adquierecarga parcial positiva. Cuando se encuentra unido al flor, al oxgeno o al nitrgeno, elhidrgeno puede participar en una modalidad de enlace no covalente llamado "enlace dehidrgeno" o "puente de hidrgeno", que es fundamental para la estabilidad de muchasmolculas biolgicas. El hidrgeno puede tambin formar compuestos con elementosmenos electronegativos, tales como metales o semi - metales, en los cuales adquierecarga parcial negativa. Estos compuestos se conocen como hidruros.

El oxigeno.

En condiciones normales de presin y temperatura, el oxgeno se encuentra en estadogaseoso formando molculas diatmicas (O2) que a pesar de ser inestables se generandurante la fotosntesis de las plantas y son posteriormente utilizadas por los animales, enla respiracin (ver ciclo del oxgeno). Tambin se puede encontrar de forma lquida enlaboratorios. Si llega a una temperatura menor que -219 C, se convierte en un slidocristalino azul. Su valencia es 2.

Adems el oxgeno puro es txico para el ser humano respirado a ms de dos atmsferasde presin. El aire respirado por los buzos es aire comprimido, por lo que contiene lamisma mezcla que en la superficie (21% oxgeno y 79% nitrgeno) de igual manera. Agrandes profundidades se busca evitar grandes concentraciones de nitrgeno ya quepueden causar narcosis. Incluso los buzos cuando sufren descompresin o problemasrelacionados se les proporcionan concentraciones de oxigeno puro a fin de evitar elbloqueo del flujo sanguneo causando la muerte del tejido dado por la expansin deburbujas de nitrgeno.
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2. Materiales.

tem Descripcin Cantidad

DISPOSITIVO

1 Celda electroltica 1unidad

Ampermetro 1unidad

REACTIVO

2 Agua 500ml

MATERIALES

3 Vaso de precipitado 1000ml

Nota: imagen 1 muestra una celda electroltica y ampermetro en imagen 3.

3. Mtodos:

a) Verificar que la celda electroltica este bien ensamblada y que poseatodos los elementos indicados.

b)

Coloque los 500ml de agua en el vaso de precipitado o recipiente quetenga la celda electroltica.c) Encienda la fuente de voltaje y espere a que se cumpla el tiempo

indicado. (20 minutos).d) Despus de haberse terminado el tiempo determinado, apague la fuente

de voltaje.e) Determinar la altura de los gases obtenidos dentro de los tubos de ensayo.f) Con el radio del tubo de ensayo y la altura obtenida de cada uno de los

gases calcul el volumen y los moles de los gases obtenidos.g) Mediante el ampermetro obtenga el amperaje del circuito y con el

tiempo determinado obtenga la cantidad de carga que circul por el

circuito.h) Con los datos de carga y las respectivas reacciones que se producen en lacelda, determinar tericamente el volumen y moles de los gasesobtenidos.


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Ecuaciones qumicas:

H2O (l) H+ (ac) + HO- (ac) disociacin de la molcula de agua; Kw= 1x10-14

Reacciones que se producen en la celda electroltica:

2H+ + 2e- H2 (eq 1)

Ctodo: reduccin de los iones hidrgeno a hidrogeno molecular.

4HO- O2 + 2H2O + 4e- (eq 2)

nodo: oxidacin de los iones hidroxilo.

Sumando las ecuaciones 1 y 2 y multiplicando por 2 (eq 1), para equilibrar la carga encada uno de los lados:

2 ( 2H+(ac)+ 2e- H2) (eq 1)

1 (4HO-(ac) O2 + 2H2O(l) + 4e-) (eq 2)

4H+ +4e- + 4HO- 2H2 + O2 + 2H2O (l) + 4e-

Eliminando trminos iguales a cada lado:

4H+ + 4HO- 2H2 + O2 + 2H2O(l)

Los iones hidrgenos e hidroxilos se unen para formar molculas de agua:

4H2O(l) 2H2 + O2 + 2H2O(l)

Eliminando trminos iguales la reaccin global sera:

2H2O(l) 2H2 + O2 (eq 3)

4. Datos de la electrolisis

AMPERAJE 70 x10-3amperiosTIEMPO DE ELECTROLISIS 1200 segundosAltura de H2 (4.5 0.1)cmAltura de O2 (2.25 0.1)cmTemperatura 25oC(Temperatura ambiente)Dimetro de los tubos de ensayo 2 cmPresin atmosfrica 1.013x105 Pa = 1 atmsfera

Tabla 1.datos de la electrlisis


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5. Clculos realizados:

Clculo de la masa obtenida de H2 y O2

a) Cantidad de carga que pasa por el circuito:

q= I t (e.1).

q= (70 x10-3)( 1200) = 84 C

b) Determinacin de los moles de e- contenidos en la carga.

Constante de Faraday 1 F = 96500 C/mol e-

84C x = 8.7 x 10-4 mol e-

c) Relacin estequiomtrica entre el nmero de moles de e- y los moles de H 2 y O2 quese forman en las medias reaccionas.

Para el hidrgeno:

2H+ + 2e- H2 (eq 1)

8.7 x 10-4 mol e- . = 4.35x10-4 mol H2 . = 8.7 x10-4 g de H2

Para el oxigeno:

2H2O(l) 2H2 + O2 (eq 3)

. 4.35x10-4 mol H2 = 2.2 x 10-4 mol O2 ; en gramos = 7x10

-3 g de O2

d) Determinacin del volumen de gas hidrgeno y gas oxigeno obtenido:

Para el hidrgeno:

PV= nRT (Ecuacin de los gases ideales) (eq 4)

V= = = 1.06x10-5m3= 10.63 cm3 de H2.

Para el Oxgeno:


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V= = = 5.38x10-6 m3 =5.38 cm3 de O2

e) Clculo del volumen y su incertidumbre obtenido experimentalmente:

Tomamos el volumen de los gases obtenidos como el volumen de un cilindro de radioigual a la mitad del dimetro del tubo de ensayo de la celda y como altura la misma queque presenta el gas en el tubo de ensayo invertido.

Volumen de un cilindro recto: r2h (eq 5)

Para el hidrgeno:V= r2h = (1)2(4.5) = 14.13 cm3

v= r +

v= 2rh r + r2 = 2(1)(4.5)(0.1) + (1)(0.1)= 3.1

volume prctico= (14.1 3.1) cm3 de H2

Para el oxgeno:

V= r2h = (1)2(2.25) = 7. 1 cm3

v= r +

v= 2rh r + r2

= 2(1)(2.25)(0.1) + (1)(0.1)= 1.7

volume prctico= (7.1 1.7) cm3 de O2

f) Porcentajes de error entre los volmenes tericos y experimentales:

Para el hidrgeno:

% error = x 100= 33%

Para el Oxgeno:


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% error = x 100= 31.5%

6. DISCUSIN.

Los resultados obtenidos experimentalmente muestra que se obtuvo un volumen para elhidrogeno de (14.1 3.1) cm3 y para el oxigeno un volumen de (7.1 1.7)cm3. Losporcentajes de error entre los valores experimentales y tericos del volumen de gas

hidrogeno y oxigeno obtenidos son 33% y 31.5% respectivamente.Los errores obtenidos muestran que existen diferencias apreciables entre los valoresexperimentales y tericos. Los factores que pueden ocasionar estas diferencias entre losvolmenes tericos y prcticos de los gases son analizados a continuacin.

Exceso del tiempo determinado para la electrolisis.Como se observa en la ecuacin e.1 con un amperaje constante la cantidad de carga quefluye por un circuito es directamente proporcional al tiempo de la electrolisis. Es decirque si se sobrepasa el tiempo determinado, la cantidad de carga que fluye por el circuito

tambin aumenta.

El que aumente la cantidad de carga implica que la cantidad de electrones sea mayor dela prevista y que se incremente la masa de las sustancias que se oxiden y reducen. Estolo podemos verificar en el clculo c) para el hidrgeno donde el aumento de moles de e-provocara que la masa de gas que se obtendra fuera mayor. Como en la ecuacin delos gases ideales, la presin atmosfrica y la temperatura se mantienen constantes (paraefectos de la prctica), un amento del nmero de moles del gas provocara un aumentode volumen del mismo.

Mala lectura del amperaje tomada del ampermetro:El amperaje que realmente se presento en la celda pudo haber sido mayor que el que setomo con el ampermetro (70x 10-3 amp), esto puede deberse a una falla mecnica deldispositivo o a una mala lectura del dispositivo (ampermetro).

Un aumento del amperaje provocara un aumento de la carga que fluye por el circuito.Al igual que como ocurre con el tiempo tambin producira diferencias apreciables entrelos valores experimentales y tericos de los volmenes de los gases obtenidos.


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7. CONCLUSIN

De acuerdo al anlisis de los datos obtenidos se presentan las siguientes conclusiones:

El volumen del gas Hidrogeno es aproximadamente el doble del volumen del oxigeno

molecular en el proceso de electrolisis del agua. Esto permite su identificacin en lacelda electroltica ya que tanto el oxigeno como el hidrgeno son incoloros.

La cantidad de gas que se obtienen en la electrlisis de cualquier sustancia esproporcional tanto al tiempo de dura la electrlisis y al amperaje de la celdaelectroltica.

La clase de reacciones que se producen en una celda electroltica son reacciones deoxido-reduccin donde una sustancia pierde electrones(oxidacin) y otra sustancia ganaelectrones(reduccin).

Recomendaciones:

El agua utilizada en la electrolisis debe ser agua destilada para evitar que adems de elH2 y O2 obtenidos no aparezca otra sustancia que entorpezca la prctica.

Se debe tener cuidado con que no exista contacto entre el O2 y el H2, ya que estassustancias reaccionan violentamente, lo cual puede causar dao al experimentador.

Tener en cuenta el tiempo determinado para la electrolisis y tomar de manera efectiva lalectura del amperaje.

8. BIBLIOGRAFA.

Microsoft Encarta 2009. 1993-2008 Microsoft Corporation.Ciencias-Qumica-Electroqumica, celdas electrolticas.

Shriver, D.F; Atkins, P.W; Langford, C.H. "Qumica Inorgnica. Vol. 1" Segundaedicin. Revert. 1997.

Greenwood, N.N; Earnshaw, A. "Chemistry of the Elements" Second edition.Butterworth - Heinemann. 1997.

Wikipedia-Enciclopedia Libre, web site, Hidrgeno, Oxigeno y electrlisis.

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