Celda de Daniell!

 

 

Universidad Autónoma del Estado de Morelos

Centro de Investigaci Investigaciones ones Químicas  Lic. Diseño Molecular y Nanoquimica

Ensayo:  Pila de Daniell

 Asignatura: Métodos Instrumentales Maestro: Dr. León Rivera  Alumna: Ivonne Bustamante Villalobos Semestre: 5° “B” 

23 de septiembre del 2019

 

Las pilas como nosotros las conocemos, tienen más de 200 años de existencia desde sus primeros modelos, como es la pila de Daniell, hasta los que conocemos ahora, como las pilas alcalinas o las pilas recargables. Estas baterías son un dispositivo electroquímico que almacena energía en forma química y al conectarse a un circuito, la energía química se trasforma en eléctrica. Todas las baterías son similares a la hora de construirlas y están compuestas por un número de celdas electrolíticas. Cada una de estas celdas está compuesta de un electrodo positivo y otro negativo conectados por un puente salino. Historia 

La celda de Daniell es una celda electroquímica, electroqu ímica, compuesta de un electrodo de cobre sumergido sumerg ido en una solución de Sulfato de cobre (CuSO 4) y un electrodo de zinc sumergido en una solución de Sulfato de zinc (ZnSO4). Fue Fue inventada en 1836 por  John Frederic Daniell, Daniell, que era un químico británico y meteorólogo. Surgió como solución a uno de los problemas de la celda voltaica. La celda voltaica consiste en discos apilados de igual tamaño de cobre y de zinc, sólo o con estaño, alternados, que llevan intercalados entre cada uno de ellos un paño humedecido con determinadas sales. Esta "pila de discos" empieza y termina con discos de diferente tipo. Conectando con un alambre los discos situados en los extremos se logra que fluya un flujo eléctrico. Era una gran propuesta, sin embargo, tenía una corta duración. Una de las causas fue la electrolisis de la disolución de electrolitos producida por la corriente, que originaba una película de constantemente burbujas de hidrógeno que interna se formaban en el ( electrodo de cobre y que aumentaba la resistencia de la batería polarización). Fue entonces cuando Frederic Daniell encontró que la solución a este problema era utilizar un segundo electrolito para consumir el hidrógeno producido por el primero, inventando la celda de Daniell. Consiste en un ánodo de zinc metálico central inmerso en una vasija de barro poroso que contiene una disolución de sulfato de zinc. La vasija de barro, a su vez, está sumergida en una disolución de sulfato de cobre contenida en una vasija de cobre de mayor diámetro, que actúa como cátodo de la celda. El uso de una barrera porosa evita que los iones de cobre el ánodo de zinc y sufran una reducción directa. Esto haría ineficaz la celda porque se llegaría al equilibrio, por transferencia directa de electrones entre Zn y Cu 2+, sin generar la corriente eléctrica que se obtiene al obligar a los electrones a ir por el circuito exterior. Durante la década de 1860, un francés de nombre Callaud inventó una variante de la pila Daniel, a la que le dio por nombre celda de gravedad. Esta variante prescinde de la barrera porosa, separando las disoluciones por una simple separación gravimétrica. En un único recipiente se tienen dos disoluciones separadas por su diferente densidad:   Una disolución densa y concentrada de cristales de sulfato de cobre (II) en el fondo del recipiente. Dentro de ella un electrodo metálico de cobre unido a un cable que sale del recipiente (electrodo positivo).   Una disolución diluida y menos densa de sulfato de zinc. Dentro de ella un electrodo de zinc con forma de pata de gallo, unido a un cale que actúa como electrodo negativo.

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Esta variante era menos costosa para las baterías, pero no se podía mover y era vulnerable a la pérdida de integridad si se generaba demasiada corriente eléctrica, lo que provocaba que las capas se mezclaran.

 

Posteriormente en el siglo XX surge un modelo moderno. La pila consta de dos recipientes diferentes: en uno de ellos hay un electrodo de cobre en una disolución de sulfato de cobre; en el otro recipiente hay una barra de zinc en una disolución de sulfato de zinc. Ambos están conectados por un cable conductor por donde circula la corriente eléctrica. Los dos recipientes están unidos por el puente salino que permite que la pila no se polarice por acumulación de cargas de un mismo signo en cada semicelda. Análisis químico

En una celda de Daniell ocurren reacciones de oxidación – reducción las cuales como se observa en el montaje físico (Fig. 4) están separadas en dos vasos. Estos vasos se conectan por medio de un puente salino, que es un tubo en forma de U, que contiene un electrolito cuyos iones no reaccionan con los electrodos o con las disoluciones. Su función func ión será permitir que los iones circulen cir culen de un vaso a otro sin que se mezclen las soluciones, por lo tanto se tapan ambas ramas del tubo con un material poroso como es el algodón hidrófobo, esto hará que el circuito se cierra y se mantenga una neutralidad de electrones entre ambos vasos. Los electrones circularan del polo negativo al positivo a través del conductor que los conecta. En un vaso se coloca un electrodo de zinc en un zinc en una disolución de ZnSO4 produciéndose la oxidación de Zn a Zn2+. Debido a que los átomos de zinc pierden electrones se acumula carga negativa en el electrodo y se adquiere un potencial negativo. El metal se irá disolviendo poco a poco debido a que se transforma en iones Zn2+ que pasan a la disolución. En otro vaso se coloca un electrodo de cobre en una disolución de CuSO4 produciéndose la reducción del Cu 2+  a cobre metálico (Cu). Como el electrodo está a un potencial positivo respecto al electrodo de zinc, los electrones fluyen hacia él, consumiéndose para reducir los iones Cu2+, lo que mantiene la diferencia de potencial entre ambos electrodos. El puente salino tiene la función de conectar ambos vasos y está lleno de una disolución de un electrolito como puede ser KCl. Lo que ocurre en cada semicelda se ve esquematizado en el siguiente cuadro:

Reacciones redox 

Oxidación

Zn

Zn2+ + 2e- 

Reducción

Cu2+  + 2e- 

Cu

Perdida de electrones

Ganancia de electrones

Reductor

Oxidante

 Aumenta el número d de e oxida oxidación ción

Disminuye el número d de e oxida oxidación ción

 Ánodo

Cátodo

Menos potencial de reducción

Mayor potencial de reducción

 

De acuerdo a las semireacciones, la reacción global de la celda de Daniell es:

Zn(s) 

Zn2+(ac)  + 2e- 

Cu(ac)  + 2e- 

Cu(s) 

Reacción de oxidación Reacción de reducción

 _______________________________   Zn(s)  + Cu2+(ac)

Zn2+(ac) + Cu(s)

Ninguna de las reacciones de las semicelda puede producirse de forma independiente. Cada semirreacción debe ir necesariamente acompañada de otra que consuma o aporte los electrones necesarios.

La reacción global también puede representarse mediante un diagrama de rayas: Zn(s) | Zn2+ (ac, 1 M) || Cu 2+ (ac, 1 M) | Cu(s) Como se mencionó anteriormente, los electrones circulan del ánodo al cátodo a través del conductor que los conecta, esto genera una corriente eléctrica como consecuencia de la diferencia de potencial existente entre los electrodos. Esta diferencia de potencial se mide en voltios y se suele denominar fuerza electromotriz (fem) o voltaje de la célula pila, Ecel, que corresponde a la diferencia entre el potencial del cátodo, E cátodo, y el potencial del ánodo, Eánodo.

E ccel el =

Ecátodo - Eánodo 

Podemos denominarlos potenciales estándar (E°) cuando todas las especies iónicas participantes en la reacción son 1M y las presiones de todos los gases son de 1 bar.

E° cel cel =

E°cátodo –  – E°ánodo 

Es importante saber que el potencial de un electrodo aislado no puede medirse individualmente, necesariamente necesari amente se necesitan los dos electrodos porque el único valor que puede medirse es la diferencia de potencial entre las dos semicelda, que corresponde al voltaje de pila. Sin embargo se puede establecer un valor relativo de una semicelda al elegir un electrodo de referencia. El potencial estándar de la pila de Daniell es:

E° cel cel =

 – E°ánodo  E°cátodo –

E° ccel el = 0.34 V – (- 0.76 V) = 1.10 V  

En conclusión la pila de Daniell es una celda galvánica formada por una semicelda con un electrodo de cobre en una disolución de CuSO4 y, otra semicelda compuesta de un electrodo de zinc dentro de una solución de ZnSO4, donde las soluciones se unen mediante un puente salino. Para llegar a la pila de Daniell actual se pasaron por varios modelos anteriormente, sin embargo a pesar de las modificaciones, la pila de Daniell no tiene aplicación práctica debido a que la diferencia de potencial entregada es muy pobre para las aplicaciones actuales, con lo que la corriente que proporciona es muy pequeña.