Construcción de una pila Daniell

Las reacciones redox son aquellas en las cuales tiene lugar una transferencia de electrones con la consiguiente variación en el número de oxidación de los elementos. Vamos a construir una pila Daniell con electrodos Cu²⁺/Cu y Zn²⁺/Zn (Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)) de la siguiente forma:

Los materiales necesarios para el desarrollo de la práctica son: dos vasos de precipitado de 250cm³, un puente salino, dos electrodos (en este caso, zinc y cobre), un cable con pinzas como hilo conductor, una bureta graduada, una balanza y un multímetro digital o amperímetro. Además, necesitaremos como reactivos sulfato de cobre (CuSO₄) y sulfato de zinc (ZnSO₄).

Electrodo de cobre (izquierda) y electrodo de zinc (derecha)

Vasos de precipitado

Multímetro

Puente salino

El procedimiento de realización de la práctica es el siguiente:

1º.  Preparamos dos disoluciones de 150ml y 0,5M, una de sulfato de cobre y otra de sulfato de zinc, para ello calculamos los datos necesarios según la siguiente tabla:

2º. Con las disoluciones anteriores llenamos dos vasos de precipitado de 250cm³ .  

Disoluciones de sulfato de cobre (izquierda) y sulfato de zinc (derecha)

Disolución de sulfato de cobre

Disolución de sulfato de zinc

3º. Introducimos en la disolución de ZnSO₄ la lámina de zinc y en la de CuSO₄ la lámina de cobre.

4º. Conectamos ambas láminas con el hilo conductor y las disoluciones con el puente salino.

5º. Medimos con el potenciómetro (multímetro o amperímetro) la diferencia de potencial entre ambos electrodos.

6º. Por último comparamos la diferencia de potencial obtenida con el multímetro (Eº pila experimental) y la que debería haber sido obtenida según la reacción producida: Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s) utilizando los potenciales normales de reducción del cobre y el zinc y la fórmula Eº = Eºcátodo - Eºánodo (Eº pila teórico):

La pila obtenida respondería a la siguiente notación y esquema, correspondiendo la semireacción de reducción al cobre (Cu²⁺+ 2 e- →  Cu) y la de oxidación al zinc (Zn - 2 e- → Zn²⁺):

Zn (s)|Zn²⁺||Cu²⁺|Cu (s)

En el siguiente vídeo podéis ver todo el desarrollo de la práctica paso a paso:

GRUPO I: Miguel Salazar, Laura López, María José García y Sergio Fernández 2ºBachillerato-B 

Reacciones redox

Las reacciones redox son aquellas reacciones de tipo químico que llevan a la transferencia de electrones entre reactivos, alterando el estado de oxidación. De este modo, un elemento libera electrones que otro elemento acepta. Siempre que un elemento cede electrones y se oxida, hay otro que los recibe y se reduce.
Aquel elemento que aporta los electrones es el agente reductor. Se trata del elemento que se oxida en la reacción. El elemento que recibe los electrones es el agente oxidante. Se trata del elemento que se reduce, ya que minimiza su estado de oxidación.
La reducción implica captar electrones y reducir el estado de oxidación, mientras que la oxidación es justo lo contrario, el elemento entrega electrones e incrementa su estado de oxidación.
Todo esto quiere decir que las reacciones redox son los procesos que llevan a la modificación del estado de oxidación de los compuestos.

La gestión de las reacciones redox es muy relevante en diversos ámbitos industriales. A través de estos cambios en los compuestos, es posible tomar medidas para minimizar la corrosión de un elemento. donde los materiales adquieren o modifican sus propiedades según a los agentes a los que estén expuestos, o para obtener ciertos productos a partir de la reducción de un mineral.
Para prevenir la corrosión se protege el metal con una capa de otro metal, más resistente a los agentes externos.

Las industrias alimenticias la utilizan para evitar la oxidación de los compuestos utilizando sustancias llamadas antioxidantes (un tipo de conservador). Su función es evitar la alteración de las cualidades originales de los alimentos.  Mediante las sustancias antioxidantes, diversos alimentos susceptibles a la oxidación alargan su vida útil.

Un proceso muy conocido es la combustión, donde se desprende energía en forma de calor y luz, que se manifiesta como si fuese fuego.
En la combustión existe un elemento que arde y otro que produce la combustión, que generalmente es oxígeno en forma de O2 gaseoso.

Estas reacciones constituyen en las industrias electrónicas el principal funcionamiento de las pilas eléctricas.

Las pilas

¿Qué es una pila?
Una pila es un generador de corriente eléctrica que transforma la energía química en energía eléctrica. Muchos aparatos que utilizamos a diario necesitan pilas para poder funcionar como por ejemplo el mando de la televisión, una radio portátil… etc
Existen diversos tipos de pilas eléctricas, pero en todas ellas los detalles constructivos y los materiales utilizados para producir las reacciones químicas que generen la corriente tienen el mismo fundamento.
Elementos de la pila:

¿Cómo funcionan las pilas?
Las pilas generan electricidad mediante un principio químico que consiste en la unión, de forma controlada, de dos sustancias químicas que se encuentran separadas.
Hay una varilla de carbono que hace de electrodo positivo. Este electrodo está rodeado de una sustancia química, el electrolito, que se encarga de posibilitar el traspaso de los electrones entre los dos polos.
Una lámina porosa, normalmente de papel, aisla el electrolito del revestimiento de Zinc, que cubre toda la pila y actúa de electrodo negativo. Al poner en contacto las dos sustancias mediante un conductor eléctrico, se produce el paso de electrones y se genera una corriente eléctrica.

Tipos de pilas
Una primera clasificación sería la distinción entre pilas primarias y secundarias. Las pilas primarias son aquellas que se agotan y son desechadas, las secundarias son las que pueden recargarse, esta clase de pilas son también llamadas baterías. Pero las diferencias más importantes vienen marcadas por la composición de los electrodos y el electrolito. De esto dependerá su duración, tamaño, precio y su nivel de contaminación.

Pilas primarias
- Pilas salinas: Se llaman así porque su electrolito es una solución salina. Son las más comunes y económicas. Tiene una duración media-baja y un nivel de contaminación bajo. Su componente más peligroso es el mercurio, pero cada vez es más reducida la cantidad que contienen.

- Pilas alcalinas: El electrolito es una solución de hidróxido de potasio, comúnmente llamado alcalí. Su precio es casi tres veces superior al de las salinas. Tiene una duración alta y un nivel de contaminación medio-bajo. Hay una normativa europea que limita la cantidad de mercurio que pueden contener, el 0.025% de su peso total.

- Pilas de botón: Suelen ser de óxido de mercurio o de óxido de plata. Tiene una duración alta y un nivel de contaminación muy alto. Una sola pila de botón puede contaminar 600.000 litros de agua. Su contenido de mercurio puede ser de hasta el 30%.

- Pilas de litio: Las pilas con ánodo de litio generan voltajes cercanos a los 3.6 V. Esto permite una gran densidad energética. Tienen una duración muy alta, unas cinco veces mayor a las pilas alcalinas. Tienen un nivel de contaminación medio y contaminan menos que las de mercurio.

Pilas secundarias

Desde el punto de vista ecológico son una opción muy interesante ya que, a pesar de utilizar materiales más contaminantes, al no ser desechables , el impacto ambiental es menor que el de las pilas primarias. 

- Pilas de níquel-cadmio: pueden dar corrientes excepcionalmente altas, y ser rápidamente cargadas  cientos de veces. Tienen una duración media y funcionan mejor si se descargan completamente antes de cargarse de nuevo, si no puede producirse el fenómeno conocido como el efecto de la memoria (que no se cargan completamente). Su nivel de contaminación es muy alto y su componente Cadmio es altamente cancerígeno si se inhala.

La pila de hidrógeno

Es un dispositivo de producción de energía eléctrica que se basa en la reacción química del oxígeno con el hidrógeno. De manera que se puede producir electricidad con la reacción del hidrógeno con el oxígeno dando resultado como residuo el vapor de agua.

Para recargar esta pila sólo hay que aportar hidrógeno. El hidrógeno puede separarse de las moléculas de agua utilizando electrolisis, es decir, aplicando electricidad en el agua. Esta pila tiene la ventaja de que no contamina nada en absoluto. Pero no todo son ventajas, una gran desventaja es el almacenamiento, ya que el hidrógeno es altamente explosivo. También las pilas de hidrógeno sufren una alta oxidación y no tienen una vida útil provechosa.