Relatório FQ exp II - Célula de Concentração e Coeficiente de Atividade

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
INSTITUTO DE QUÍMICA - DEPARTAMENTO DE FÍSICO-QUÍMICA
FÍSICO-QUÍMICA EXPERIMENTAL II
Célula de Concentração e Coeficiente de Atividade (CC)
Nomes: Daniela Kern e Manoela Souto Data: 08/12/2023
Professor responsável: Lázaro dos Santos Turma/Grupo: C/F2
Resumo
Neste experimento foi construída uma célula de concentração formada pela semicélula de
cobre metálico em contato com CuSO4, e determinado como varia o potencial da mesma
com a concentração das espécies eletroativas, mantendo a força iônica constante. Para a
parte A foram adicionadas soluções de diferentes concentrações de CuSO4 em uma das
semicélulas, mantendo a outra com concentração constante e mediu-se o potencial da
célula a 26°C. Na parte B, uma das semicélulas foi preenchida com CuSO4 e a outra com
Cu(NO3)2 e mediu-se o potencial da célula. O valor obtido graficamente para RT/2F foi de
0,0124 com erro de 3,9% em relação ao teórico.
Cálculos e Resultados
Para formar uma célula eletroquímica, combinam-se duas semicélulas. Quando estas são
idênticas, trata-se de uma célula de concentração. Se a atividade (concentração) das
espécies eletroativas for idêntica em ambas as semicélulas, o potencial dessa célula será
nulo. Por outro lado, se as atividades das espécies eletroativas forem diferentes, o potencial
da célula não será nulo. Nesta prática, foi estudada a célula de concentração formada pela
semicélula de cobre metálico (Cu) em contato com sulfato de cobre (CuSO4). Abaixo está
representado o diagrama da célula em questão:
Cu|CuSO4(aq, c1)||CuSO4(aq, c2)|Cu (1)
Onde c1 e c2 são as concentrações dos íons Cu2+.
O potencial dessa célula será dado por:
(2)
Sabendo que α=γ±cCuSO4, podemos reescrever a equação acima da seguinte forma:
(3)
Onde 𝛾± é o coeficiente de atividade iônico médio do eletrólito CuSO4.
O coeficiente de atividade é função da força iônica (I), portanto ao manter a força iônica
constante em ambas as semicélulas, o coeficiente de atividade será o mesmo. Para isso, foi
adicionado Na2SO4 em cada uma das soluções preparadas para o experimento.
Parte A
Foram preparadas soluções de CuSO4 nas concentrações de 0,001; 0,005 e 0,01 mol/L e
em cada uma adicionou-se 1,847; 1,803 e 1,704 g de Na2SO4, respectivamente. A célula
eletroquímica foi montada preenchendo uma das semicélulas (A) com CuSO4 0,1 M e a
outra (B) com as diferentes concentrações das soluções de CuSO4, utilizando ponte salina
s s
mas com concentrações/atividades diferentes
8,8/10,0
labec
Realce
labec
Linha
de KNO3 1mol/L. O potencial da célula nas diferentes concentrações foi medido a 26°C. A
tabela abaixo mostra os valores obtidos experimentalmente:
Tabela 1. Dados experimentais obtidos a 26°C.
[CuSO4] na
semicélula A
(mol/L)
Força iônica na
semicélula A
[CuSO4] na
semicélula B
(mol/L)
Força iônica na
semicélula B
ε célula (V)
0,1 0,4 0,001 0,3996 0,0568
0,1 0,4 0,005 0,4006 0,0456
0,1 0,4 0,01 0,3997 0,0387
0,1 0,4 0,1 0,4000 0,0007
Os valores da força iônica apresentados na tabela 1, foram obtidos através da equação 4.
(4)𝐼 = 1
2 ∑ 𝑐
𝑖
* 𝑧
𝑖
2
Onde ci é a concentração da espécie iônica i, e zié a carga da espécie iônica i.
Logo, para calcular a força iônica precisamos da concentração dos íons envolvidos, como
sabemos a concentrações das soluções das semicélulas (e sabemos que nesse caso os as
espécies estão totalmente dissociadas), só nos resta calcular a concentração dos íons
provenientes do sal (Na2SO4), que obteremos através da equação 5.
(5)𝐶
𝑁𝑎
2
𝑆𝑂
4
= 𝑚
𝑀*𝑉
Será ilustrado os cálculos referente a força iônica na semicélula B, as demais forças
iônicas, foram calculadas de forma análoga.
𝐶
𝑁𝑎
2
𝑆𝑂
4
= 1,874
142,04*0,100
𝐶
𝑁𝑎
2
𝑆𝑂
4
= 0, 132 𝑚𝑜𝑙/𝐿
Aplicando o resultado acima na equação 4, temos:
𝐼 = 1
2 [(𝐶
𝑐𝑢2+ * 22 + 𝐶
𝑆𝑂
4
2−
* (− 2)2) +(𝐶
𝑁𝑎+ * 12 + 𝐶
𝑆𝑂
4
2−
* (− 2)2)
𝐼 = 1
2 [0, 001 * 22 + 0, 001 * (− 2)2) +(2 * 0, 132 * 12 + 0, 132 * (− 2)2)
𝐼 = 0, 3996 𝑚𝑜𝑙/𝐿
Qual a polaridade dos eletrodos A e B? 
Não há identificação dos eletrodos: Qual a relação entre os eletrodos A e B e os eletrodos 1 e 2?
Ao aplicar Nernst, qual eletrodo é 1 e qual 2?
Por que a incinação deu um valor negativo?
A partir dos dados obtido e da equação 4, podemos traçar um gráfico do potencial da
célula versus ln 𝑐2/𝑐1 e fazer um ajuste linear, cujo coeficiente angular é igual a RT/2F.
Figura 1. Gráfico da variação do potencial em função da concentração das espécies eletroativas.
Pela equação da reta, obteve-se o valor de 0,0124 para RT/2F. O valor teórico é de:
8,314 x 299/2 x 96485,34 = 0,0129
Portanto o erro relativo do valor experimental em relação ao teórico é de 3,9%.
Parte B
Na parte B do experimento, desejou-se investigar a influência da força iônica no potencial
da célula. Para isso, foram construídas duas célular Cu|CuSO4||Cu(NO3)2|Cu, com
concentrações da espécie eletroativa iguais nos compartimentos e forças iônicas diferentes.
A concentração de Cu2+ na célula A era 0,01M, e na célula B 1M. A força iônica para essa
etapa também foi calculada pela equação 4, e está ilustrada na tabela 2, juntamente com os
potenciais medidos.
Tabela 2. Força iônica das células A e B e potenciais medidos à 27°C.
Força iônica ânodo Força iônica cátodo ε célula (V)
Célula A 0,04 0,03 0,0121
Célula B 4 3 0,0403
Discussão e Conclusão
O experimento se mostrou eficiente para exemplificar a dependência da concentração e da
força iônica em células eletroquímicas.
Em relação a primeira parte do experimento, podemos observar na Equação 4, que se o
coeficiente de atividade de CuSO4 em ambas as semicélulas é igual, o potencial da célula
varia linearmente com o logaritmo da razão C2/C1 passando pela origem. Para que o
coeficiente de atividade seja idêntico em ambas as semicélulas, é necessário manter a força
iônica igual em ambos os compartimentos. Podemos observar no gráfico, que a reta não
passa exatamente na origem, isso pode ter ocorrido devido pequenas variações nas
condições experimentais, como variação na força iônica observado na Tabela 1, que por
sua vez também tem relação a erros experimentais na pesagem do sal Na2SO4 e nas
diluições das soluções que afetam a concentração, também podemos citar variações na
temperatura das células, pois utilizamos T=26°C no cálculo, mas verificou-se variações
entre 26,0 a 26,5ºC durante a realização do experimento, como última fonte de erro que
será citada, temos o voltímetro, que pode ter apresentado oscilações nos valores medidos.
Apesar de todas as possíveis fontes de erro citadas, obtivemos um erro relativo baixo de
3,9%, então podemos dizer que os resultados do experimento foram satisfatórios.
A segunda etapa do experimento serviu para analisarmos a influência da força iônica no
potencial das células, utilizando soluções com a mesma concentração de espécies
eletroativas. As forças iônicas da célula B eram maiores do que a célula A, e podemos notar
que isso fez com que o potencial da célula B fosse maior. Esse efeito era esperado devido a
relação do potencial com os coeficientes de atividade (que variam com a força iônica) na
equação 3, vemos que quanto maior a razão esse os coeficientes de atividade do cátodo e
a ânodo, maior será o potencial da célula.
Referencias Bibliográficas
[1] "Fundamental Physical Constants", in CRC Handbook of Chemistry and Physics, David
R. Lide, ed., CRC Press, Boca Raton, FL, 2005.
[2] Pilla, L., Físico-Química II, 2a ed., Editora UFRGS, 2010, página 425.
as referências não foram citadas ao longo do relatório
Faltou anexar a planilha de dados da aula