Laboratorio de Equilibrio y Cinética

Objetivos Generales Que el alumno conozca la importancia de los

POTENCIALES TERMODINÁMICOS, su

interpretación física y su

aplicación en una reacción redox

Problema a resolverDeterminar experimentalmente los potenciales

termodinámicos (∆Hº, ∆Gº y ∆Sº) a 298.15 K de la reacción de redox que se efectúa en una pila comercial de óxido de plata-zinc (Ag2O-Zn), explicando su interpretación física.

2Ag O( ) Zn( ) 2Ag( ) ZnO( )s s s s

Reacciones de óxido-reducción

2Ag O( ) Zn( ) 2Ag( ) ZnO( )s s s s

Son aquellas en las que hay transferencia de electrones de una especie química a otra.

Desplazamiento Simple

Pila de óxido de Plata-Zinc

Pila no recargable electrolito secotamaño reducido larga duración voltaje constantealta confiabilidad

Zn (s) + 2 OH−→ ZnO (s) + H2O (l) + 2e−

Ánodo

Ag2O (s) + H2O (l) + 2e− → 2 Ag (s)

Cátodo

-AplicacionesRelojesCalculadorasCámarasMarcapasosaparatos auditivos

Ag2O (s) + Zn (s) → 2 Ag (s) + ZnO (s)Reacción global

TRABAJO ELÉCTROQUÍMICO PARA UNA REACCIÓN REDOX

elecW qE

Energía que desarrollan los e- que se

transfieren cuando son intercambiados entre dos especies químicas

AF eN

Donde

q nF

n número de e−

e carga del electrón

F fuerza electromotriz

F = 96,500 C/mol

1 V = 1 J/C

elecW nFE

Son funciones de estado y propiedades extensivas. Se definen dependiendo de cuáles propiedades son

variables y cuáles se mantienen constantes durante un proceso.

Se expresan mediante funciones que contienen toda la información termodinámica del sistema.

Tienen dimensiones de energía.Cada uno de ellos, depende de diferentes variables

canónicas o naturales (restricciones), las cuales son: T, P, n y S.

Sirven para predecir los cambios termodinámicos que serán espontáneos, tales como H, U, G y A.

¿QUÉ SON LOS POTENCIALES TERMODINÁMICOS?

CARACTERÍSTICAS DE LOS POTENCIALES TERMODINÁMICOS

Función de estado Potencial Termodinámico

Predicción de cambios termodinámicos que serán espontáneos

(H,G,U,A)

Carácter extensivo Unidades de

energía

Energía interna

Energía de Helmholtz

Entalpía

Energía de Gibbs

Manejan variables

T,P,n,

FUNDAMENTO TERMODINÁMICO:

SIGNIFICADO FÍSICO DE LOS POTENCIALES TERMODINÁMICOS A TEMPERATURA Y PRESIÓN CTE.

ΔGr COMO CRITERIO DE

ESPONTANEIDAD

Y EQUILIBRIO A T Y P

CTES:

ΔGr < 0 proceso espontáneo.

ΔGr = 0 sistema en equilibrio.

ΔGr > 0 proceso no espontáneo.

ΔHr COMO CALOR

TRANSFERIDO A P CTE:

ΔHr < 0 proceso exotérmico.

ΔHr > 0 proceso endotérmico.

ΔSr COMO CAMBIO DEL

NÚMERO DE MICROESTADOS:

ΔSr < 0 disminución del número de

microestados.

ΔSr > 0 aumento del número de

microestados.

r r rG H T S

ENERGÍA DE GIBBS COMO UN TIPO DE TRABAJO DIFERENTE AL DE EXPANSIÓN COMPRESIÓN

Tercera ecuación fundamental de la termodinámica.

elecdG SdT VdP W

Si la temperatura y presión son constantes:

elecdG W

elecG W

FACTORES QUE AFECTAN A ∆Gr DE UNA REACCIÓN

Contribución

∆Hr < 0

reacción

exotérmica

∆Sr < 0

disminución del

desorden

Reacción favorable entálpicamente y desfavorable

entrópicamente.

Reacción favorable a bajas T.

∆Gr = ∆Hr − T∆Sr

∆Hr > 0

reacción

endotérmic

a

∆Sr > 0

incremento del

desorden

Reacción desfavorable entálpicamente y favorable

entrópicamente.

Reacción favorable a altas T.

∆Hr > 0

reacción

endotérmic

a

∆Sr < 0

disminución del

desorden

Reacción desfavorable entálpicamente y

entrópicamente.

Reacción desfavorable a cualquier T.

∆Hr < 0

reacción

exotérmica

∆Sr > 0

incremento del

desorden

Reacción favorable entálpicamente y

entrópicamente.

Reacción favorable a cualquier T.

0 0 0

r r rG H T S

DESARROLLO EXPERIMENTAL

En una parrilla eléctrica calienta a 60°C agua de la llave.

¡Ten cuidado con la resistencia!

Conecta el dispositivo al multímetro,

Introduce el matraz del

sistema en el vaso de

pp.

Ajusta el nivel del

agua caliente.

Activa la agitación

magnética.

Que sea suavemente

para llegar al

equilibrio térmico

Toma la lectura del

potencial a 40 C.

Multímetro

Selección de 4 cifras significativas

Con

agitación

suave

Observarás

un

descenso de

temperatura

Toma

lecturas del

potencial

cada 5 C

RECOMENDACIO

NES

No contaminar

con agua el aceite

de nujol.

No tirar como residuo el aceite.

Manejo de datos

t / (ºC) T / (K) Eº / (V) Welec / (J/mol) ∆Gº / (J/mol)

Completar la tabla efectuando los cálculos requeridos en las

columnas.

Escribir la ecuación

química que se lleva

a cabo en la pila

Hacer una gráfica

de ∆Gºr / (J/mol) vs

T / (K)

Determinar la pendiente y la

ordenada al origen de la línea

recta obtenida

Interpretación física de la

pendiente y de la ordenada al

origen obtenidas y sus unidades

Calcular el valor de ∆Gºr a 298.15 K a

partir de los datos de la pendiente y

ordenada al origen.

Comparar los datos obtenidos

experimentalmente con los

reportados en la literatura

Manejo de datos

( )G S T H

RELACIÓN ENTRE LOS TRES POTENCIALES TERMODINÁMICOS ∆G, ∆H y ∆S

y m x b

m Sb H (J/mol)

(J/molK)

G H T S

S m

Elaborar la gráfica ∆G vs T y realizar la regresión lineal.

Parámetros a determinar:

G H T S∆

G / (

J/m

ol)

T / (K)

m S

b H

Cálculo de potenciales termodinámicos a condiciones estándar para una reacción química

Entalpía de reacción estándar:

0 0 0

, , , ,r i m f i j m f j

i j

H n H productos n H reactivos

Energía de Gibbs de reacción estándar:0 0 0

, , , ,r i m f i j m f j

i j

G n G productos n G reactivos

Entropía de reacción estándar:

0 0 0

, ,r i m i j m j

i j

S n S productos n S reactivos

Comparar el valor teórico y experimental de ∆Hr , ∆Gr y ∆Sr a partir del cálculo del % error:

exp% 100

teo

teo

H HError x

H

exp% 100

teo

teo

G GError x

G

exp% 100

teo

teo

S SError x

S

Comparación de los potenciales termodinámicos teóricos y experimentales

Propiedad: Teórico: Experimental: % Error:

∆Hºr / (J/mol)

∆Sºr / (J/molK)

∆Gºr / (J/mol)

0 0 0

r r rG H T S

Comparación de los potenciales termodinámicos teóricos y experimentales

Propiedad: Teórico: Experimental: % Error:

∆Hºr / (J/mol)

∆Sºr / (J/molK)

∆Gºr / (J/mol)

TRABAJO ELÉCTROQUÍMICO PARA UNA REACCIÓN REDOX