ud2 dossier alumne practiques

C5 Química Analítica Instrumental

PRÀCTIQUES Mètodes electroquímics d´anàlisi

27

ÍNDEX PRÀCTIQUES

UD2: TÈCNIQUES ELECTROQUÍMIQUES

D’ANÀLISI

NA1. Introducció

P1- ELECTROQUÍMICA. ESTUDI DE REACCIONS REDOX

P2- CONSTRUCCIÓ D’UNA PILA DANIELL

NA2. Potenciometria o tècniques potenciomètriques

P3- ESTUDI DEL MANUAL DEL PHMETRE

P4- MESURES DE pH (part 1

P5- DETERMINACIÓ DEL CONTINGUT D’ÀCID FOSFÒRIC EN

UNA BEGUDA DE COLA PER VALORACIÓ

POTENCIOMÈTRICA ÀCID-BASE

NA3. Conductimetria o tècniques conductimètriques

P6- ESTUDI DEL MANUAL DEL CONDUCTÍMETRE

P7- MESURES DE CONDUCTIVITAT

NA4. Electrogravimetria

P8- ELECTROGRAVIMETRIA D’UNA SOLUCIÓ DE COURE (II)



28

Electroquímica. Estudi de reaccions redox

OBJECTIUS Observar diferents reaccions redox en via humida, intentant descriure i justificar, a partir de la taula normal de potencials de reducció, les transformacions verificades. Descriure un procés electrolític.

FONAMENT La taula de potencials normals de reducció permet la interpretació dels fenòmens observats durant l’evolució d’una reacció redox, tot i assumint la diferència entre el nostre sistema real i el model teòric de referència. Per observació de la taula és possible preveure si un determinat sistema evolucionarà de forma espontània o no i atorgar un valor del potencial electroquímic i una estimació de la constant d’equilibri de la reacció en estudi. L’interès del coneixement d’aquestes reaccions és múltiple. D’una banda permet el disseny de sistemes satisfactoris en vistes al aprofitament energètic per part de sistemes que evolucionen espontàniament, proporcionant a partir del potencial elèctric generat, la possibilitat de construir diferents piles i bateries. D’altra, és possible l’obtenció de productes d’una forma senzilla en sistemes fàcilment controlables. En el cas de les transformacions efectuades amb l’ajut de piles, durant l’estudi caldrà tenir present, per poder realitzar una correcta descripció dels fenòmens, els criteris d’assignació quant a polaritat i assignació dels elèctrodes. Recordem que, per definició, anomenarem càtode a l’elèctrode que suporta la reacció de reducció sobre la seva superfície i, d’igual forma, ànode al que permet la reacció d’oxidació. Un segon criteri té en compte si un elèctrode és generador o consumidor de càrrega elèctrica: es considera que un elèctrode té polaritat negativa si aquest actua com una font d’electrons (hi surten) o polaritat negativa al contrari (hi són consumits). Hi ha una certa confusió quant a l’assignació de polaritats a aquests elèctrodes. La polaritat (positiva o negativa) d’aquests depèn del caràcter espontani o forçat del sistema. Així, en un sistema que evolucioni espontàniament (producció d’electricitat) el càtode té polaritat positiva. Contràriament, en un sistema forçat (on té lloc una reacció mitjançant el consum d’electricitat) la polaritat del càtode és negativa. Aquest criteri servirà per realitzar els muntatges convenients i poder descriure els fenòmens que poden tenir lloc en cada elèctrode (habitualment despreniment de gasos o formació de dipòsits).



29

MATERIAL I REACTIUS Tros de zinc metàl·lic Tros de plom metàl·lic Tros de coure metàl·lic Nitrat de coure (II) Nitrat de plom (II) Nitrat de zinc (II) Tubs d’assaig

PROCEDIMENT

1. Agafa una mica dels metalls a cada tub d’assaig i afegeix les dissolucions (un tub

d’assaig per cada metall i per cada dissolució) i observa si es produeix algun canvi.

Descriu el canvi que observes.

Nitrat de coure Nitrat de plom Nitrat de zinc

Cu

Pb

Zn

QÜESTIONS

1. Quin metall s'oxida amb més dificultat?

2. Quin metall és més reductor?

3. Ajusta les possibles reaccions que tenen lloc.

4. Descriu els fenòmens observats i justifica les reaccions a partir dels valors dels

potencials normals de reducció.



30

Construcció d’una pila de Daniel OBJECTIUS Muntatge d’una pila de Daniel i mesurar la força electromotriu de la pila.

MATERIAL I REACTIUS 2 vasos de precipitats de 250mL dissolució de sulfat de coure 0.1 M dissolució de sulfat de zinc 0.1M pont salí cotó fluix 2 plaques metàl·liques: Zn i Cu tester (polímetre) fils de connexions elèctriques PROCEDIMENT

- Neteja les plaques de Zn i de Cu amb paper de vidre - Prepara 100mL de sulfat de coure 0.1 M i 100mL de sulfat de zinc 0.1 M. - Col·loca 100mL de sulfat de coure 0.1M en un vas de precipitats i

submergeix una placa de Cu. - En un altre vas, col·loca 100mL de sulfat de zenc 0.1M i submergeix una

placa de zenc. - Prepara una dissolució de KCl al 10% i omple el tub salí d’aquesta

dissolució - Tapa els extrems del tub amb cotó fluix i col.loca un extrem a cada

dissolució. - Connecta les dues plaques que faran d’elèctrodes a un “tester”

PROCÉS ÀNODE CÀTODE ENERGIA

Piles - + Allibera

Electròlisi + - Necessita aportament

Reaccions Oxidació Reducció

RESULTATS -Mesura la força electromotriu produïda per la pila. -Compara aquest valor amb el valor esperat, suposant que la temperatura és la mateixa. -Escriu les reaccions que es produeixen.



31

Estudi del manual del pHmetre

OBJECTIU: Familiaritzar-se amb el pHmetre i estudiar el manual. MATERIAL Marca, nom, model, numeració del pHmetre PROCEDIMENT: 1. Llegeix detingudament les instruccions del pHmetre. 2. Dibuixa el pHmetre indicant el nom dels seus components i de totes les

tecles i accessoris que porta a l’estoig. 3. Amb l’ajut del manual, redacta un procediment per a realitzar el calibratge. 4. Amb l’ajut del manual, redacta un procediment per fer la lectura del pH. QÜESTIONS 1. Amb quina periodicitat s’han de calibrar els pHmetres? 2. Quines són les solucions tampó més freqüentment emprades per calibrar un

pHmetre? 3. Nosaltres, quants patrons utilitzarem per la calibratge?

4. Es podria calibrar amb un núm. diferent de patrons? 5. Quin és l’ordre d’utilització del patrons en la calibratge? 6. En què consisteix la desconnexió automàtica dels pHmetres del nostre

laboratori? 7. Com netegem l’elèctrode combinat entre lectura i lectura? 8. Com guardarem els elèctrodes del pHmetre en finalitzar una pràctica? 9. Per què introduïm en alguns pHmetres la temperatura dels tampons? 10. Què signifiquen les segles CAT? Explica-ho i digues si el teu pHmetre

disposa de CAT.



32

Mesures de pH (part 1) OBJECTIU Familiaritzar-se amb el pHmetre determinant el pH de diferents dissolucions aquoses d’ús quotidià. MATERIAL, REACTIUS I MOSTRES Cal anotar la informació de les etiquetes de les mostres..., sobretot la que pugui estar relacionada amb el pH de la mostra. PROCEDIMENT - Seguint les instruccions de la pràctica anterior, determina amb el pHmetre

el pH de les següents substàncies:

Vi, vinagre, Coca-Cola, llet, tampó pH 7, H2O sense gas, H2O amb gas, tampó pH 4, solució aspirina, solució aspirina efervescent, sucs de fruita, tampó pH 7, dó detergent roba líquid, dó detergent roba en pols, dó sabó de Marsella, dó sabó de coco, tampó pH 7.

Nota 1: Amb algunes de les mostres, s’haurà de fer una dissolució o dilució prèvia en aigua destil·lada, tal i com indica la taula de resultats. Nota 2: Cal netejar molt bé l’elèctrode combinat entre lectura i lectura perquè sinó el valor d’una mostra pot influir en el de la següent. Tot i la precaució anterior, es poden obtenir encara millors resultats intercalant un patró cada dos o tres mostres. En el nostre cas, seguirem el consell i farem les mesures en l’ordre següent: 1er: Calibrat del pHmetre: ....................................................................... 2on: Mesures mostres:

Vi, vinagre, Coca-Cola, llet, tampó pH 7, H2O sense gas, H2O amb gas, tampó pH 4, solució aspirina, solució aspirina efervescent, suc de fruita, tampó pH 7, dó detergent roba líquid, dó detergent roba en pols, dó sabó de Marsella, dó sabó de coco, tampó pH 7.

- Dibuixa del muntatge i anota les observacions: - Escriu els càlculs previs per fer les dissolucions de concentració = 10 g/l

indicats al quadre.



33

RESULTATS

MOSTRA Vi Vinagre Coca-Cola LLet H2O sense gas

pH

MOSTRA H2O amb gas

1 Aspirina en 200 ml H2O

1 Aspirina efervescent en 200 ml H2O

Suc de fruita Detergent roba líquid a 10g/l

pH

MOSTRA Detergent en pols a 10 g/l

Sabó de marsella a 10 g/l

Sabó de coco a 10 g/l

pH

CONCLUSIONS Ordena les mostres de major a menor pH, compara el pH del vi i el vinagre, compara el pH de l’aigua amb gas i sense gas entre elles i amb la coca-cola i la llet, compara els pH’s de l’aspirina normal i l’efervescent, compara els pH’s dels diferents detergents, compara els pH’s dels diferents sabons...



34

Determinació del contingut d’àcid fosfòric en una beguda de cola per valoració potenciomètrica àcid/base OBJECTIUS

- Determinar el contingut d’àcid fosfòric en refrescos de cola, a partir d’una valoració potenciomètrica àcid-base.

- Dibuixar la corba de pH en funció del volum d’un reactiu que s’afegeix.

- Aplicar un mètode gràfic per localitzar el punt d’equivalència en la corba de valoració.

FONAMENT TEÒRIC

Les valoracions potenciomètriques són valoracions que es realitzen amb l’ajuda d’un potenciòmetre. Les valoracions potenciomètriques és convenient realitzar-les quan tenim dissolucions fosques on és impossible veure el canvi de color de l’indicador. Tot i que aquestes valoracions són més lentes que les tradicionals, proporcionen resultats més exactes i més precisos. En una valoració potenciomètrica el punt d’equivalència es determina gràficament: en el punt d’equivalència es produeix un canvi brusc de potencial elèctric. El mètode general a seguir en una valoració potenciomètrica és el següent: 1. Rutina de calibratge del pHmetre/potenciòmetre. 2. Realització de la valoració:

La valoració es realitza en un vas de precipitats i amb agitació magnètica per accelerar l’arribada a l’equilibri. Cal afegir el reactiu de la bureta a poc a poc. Inicialment podem afegir volums de 0´5 en 0´5 ml. Després de cada addició cal esperar un temps perquè la reacció sigui completa (perquè s’arribi a l’equilibri). Quan la lectura del pHmetre s’estabilitzi, anotem la lectura .(De vegades cal suspendre l’agitació per aconseguir l’estabilització de la lectura del pH). En les proximitats del punt d’equivalència les addicions de reactiu han de ser de 0´1 a 0´2 ml. Cal construir una taula on figurin els valors de pH o potencial per cada volum de reactiu afegit.



35

En aquestes valoracions es necessiten dades d’abans i després del punt d’equivalència. El volum de reactiu a afegir ha de ser aproximadament el doble del que utilitzaríem en una valoració tradicional.

3. Tractament gràfic de les dades obtingudes.

El volum d’equivalència es determina a través de les gràfiques construïdes. Es poden realitzar diferents gràfics. En general es recomana obtenir aquest volum a partir de la gràfica de la segona derivada. Nosaltres obtindrem el resultat a partir del gràfic de pH versus volum de reactiu consumit . Utilitzarem el mètode gràfic manual (amb regles) per a la determinació del volum d’equivalència que està al dossier de teoria.

En aquesta experiència es determina el contingut d'àcid fosfòric en les begudes de cola, mitjançant una valoració àcid/base de la mostra problema amb NaOH. La reacció se segueix potenciomètricament amb un elèctrode combinat de vidre (pHmetre). Les reaccions en què es basa la valoració són les següents:

H3PO4 + OH- ↔H2PO4- + H2O

H2PO4

- + OH- ↔HPO42- + H2O

Malgrat que l'àcid fosfòric és tripròtic, amb K1 = 1,1.10-2, K2 = 7,5 .10-8 i K3 = 5,0.10-13, només veurem els dos primers salts inicials, atès que la constant de dissociació corresponent al tercer protó és molt baixa. Així, en la valoració d'àcid fosfòric amb una base forta s'obté una corba del tipus:

Les begudes refrescants de cola contenen substàncies tals com aigua carbonatada, sucre, colorants, acidulants, aromes i , en alguns casos cafeïna.



36

Els refrescos “light” substitueixen el sucre per edulcorants com sacarina, ciclamat, acesulfano K o aspartamo i afegeixen algun conservant com, per exemple, el benzoat de sodi. Els acidulants més habituals són l’àcid fosfòric i l’àcid cítric ; el primer proporciona una sensació refrescant i picant i, el segon actua a més a més com a segrestant. La determinació del contingut d’àcid fosfòric en begudes de cola pot dur-se a terme mitjançant una valoració potenciomètrica amb hidròxid de sodi. En aquest cas, la intensa coloració de la mostra impedeix l’ús d’indicadors visuals. La corba de valoració (figura pàg anterior) presenta dos salts. Si el refresc no contingués més àcid que el fosfòric, el volum del segon punt final hauria de ser el doble que el del primer, perquè aquests punts corresponen a la neutralització de un i dos protons, respectivament. Però, és habitual la presència d’altres àcids febles, com el cítric, i per tant, generalment el volum de base necessari per arribar al segon punt final és superior al doble del que cal per arribar al primer. És per aquest motiu, també, que el contingut d’H3PO4 es calcula a partir del volum de valorant (NaOH) corresponent al primer punt final. MATERIAL, REACTIUS I MOSTRES De la mostra cal anotar la informació de la etiqueta, sobretot la que pugui estar relacionada a amb el pH de la mostra PROCEDIMENT 1. Tractament de la mostra: Buida el contingut de mitja llauna d’un refresc de

cola en un vas de precipitats i desgasifica-la amb agitació magnètica .

2. Prepara 100 mL d’una dissolució 0´02 N d’hidròxid sòdic a partir d’una dissolució valorada 0’1 N comprada i anota els càlculs previs.

3. Calibra el pHmetre. 4. Prepara el muntatge següent per fer la valoració: indica-hi el nom de tot el

material



37

5. Agafa 25 ml (amb pipeta aforada) de la mostra desgasificada i aboca’ls en

un got de precipitats de 100 ml.

6. Introdueix el nucli magnètic i situa el got sobre l’agitador magnètic. 7. Col·loca- hi l’elèctrode combinat de vidre del pHmetre de forma que la

membrana quedi prou submergida en la mostra i, afegeix-hi, si cal, una mica d’aigua destil·lada per assegurar-ho. Atenció!!! Només es pot afegir aigua abans de començar a fer lectures. Mai un cop s’ha començat a fer lectures !!!! ja que les lectures de pH seran diferents.

8. Comprova que el nucli no toca l’elèctrode durant el moviment. 9. Posa en funcionament l’agitador. 10. Realitza la valoració per duplicat si dóna temps:

Es fa una primera valoració ràpida per determinar de forma aproximada on es troben els punts d’equivalència. Es realitzen addicions de 1 ml de valorant. Després cal fer una segona valoració lenta. Es faran addicions de valorant més petites: al voltant dels dos punts d’equivalència fem addicions de 0´2 ml i la resta de la valoració addicions de 0´5 ml. Aquesta segona valoració ens permetrà realitzar la determinació exacta del volum d’equivalència. (Guiat amb la corba que tens al fonament teòric.)



38

Metòdica de les valoracions: - Realitzar una lectura inicial del pH. - Iniciar la valoració llegint i anotant el pH després de cada addició de

reactiu. - Cal anotar el valor de pH quan s’estabilitza la lectura (pH constant durant

uns 30 segons). Sovint l’agitador origina fluctuacions en la lectura i cal desconnectar-lo per aconseguir que s’estabilitzi la lectura i fer la mesura.

- Construir una taula pH/Volum. - Donar per finalitzada la valoració quan el pH arriba aproximadament a

10. 11. Construeix la gràfica pH/V a partir dels valors de la taula corresponents a la

valoració lenta, en paper mil·limetrat o en un full de càlcul.

12. Determina el volum d’equivalència del primer SALT pel mètode gràfic manual.

13. Calcula el contingut d’àcid fosfòric amb el volum del primer punt final i

expressa-ho en mg/l. Nota: - La mostra s’ha de desgasificar prèviament, perquè l’efervescència del diòxid

de carboni causa problemes en les mesures de volum de la mostra en pipetejar o enrasar.

- No es pot afegir aigua en el transcurs de la valoració perquè la dilució modificaria la concentració de protons i per tant, el pH.

- La lectura del pH s’efectua abans d’afegir reactiu valorant i després de cada addició.

- En finalitzar la valoració no oblidar-se de netejar l’elèctrode combinat i guardar-lo submergit en la dissolució de KCl.



39

RESULTATS EXPERIMENTALS Volum add. (mL) pH 1a. Derivada (∆pH/∆V) 2a. Derivada [(∆pH/∆V)’]

CÀLCULS I RESULTATS FINALS a) Representaó gràficament el pH vs volum de NaOH 0,02 M i, determina el

volum d’equivalència del PRIMER SALT pel mètode gràfic manual. b) Calcula el contingut d’àcid fosfòric amb el volum del primer salt. Expressa-

ho en mg/l.

Volum d’equivalència del PRIMER SALT pel mètode gràfic = ........................ Càlcul: En el primer salt, s’ha neutralitzat el primer protó de l’H3PO4, per tant, la reacció que cal considerar és:

H3PO4 + NaOH NaH2PO4 + H2O Mostra valorada: 25 ml de cola 1er) calcula els mil·ligrams d’H3PO4 valorats al primer salt?

.................POH1

POH1000

1

POH97,97

1

1

1000

02,0......

43

43

43

4343 g

mg

POHmol

g

NaOHmol

POHmol

NaOHdóml

NaOHmolNaOHml

2on) calcula: ppmcoladeL

POHmg43

ppmcolal

mg.................

025,0

POH............... 43



40

QÜESTIONS

1. Avantatges de les valoracions potenciomètriques. 2. Inconvenients de les valoracions potenciomètriques. 3. Aplicacions de les valoracions potenciomètriques. 4. Què succeeix amb el voltatge o amb el pH en el punt d’equivalència? 5. Com s’obtenen els resultats en les valoracions potenciomètriques? 6. Per què és convenient primer realitzar una valoració ràpida? 7. Anota la composició de la beguda carbonatada, d’acord amb les dades

proporcionades des de fàbrica a l’etiqueta del producte. 8. Fes una petita recerca sobre els efectes negatius que pot aportar l’ingesta

d’una quantitat excessiva d’aquests productes, en particular l’àcid fosfòric i la cafeïna.

9. Busca el contingut de cafeïna en algunes begudes com el cafè, el té i els refrescs de cola.

10. Quina és la funció de l’àcid fosfòric a les begudes de cola? 11. Raona per què no es pot diluir la mostra en el transcurs d’una valoració

potenciomètrica.



41

Estudi del manual del conductímetre OBJECTIU Familiaritzar-se amb el conductímetre i estudiar el manual. MATERIAL UTILITZAT Marca, nom, model, numeració del pHmetre PROCEDIMENT

1. Llegeix les instruccions del conductímetre.

2. Dibuixa el conductímetre indicant el nom dels seus components i de totes les tecles.

3. Amb l’ajuda del manual redacta un procediment per a realitzar el calibratge.

4. Amb l’ajuda del manual redacta un procediment per a realitzar una medició de la conductivitat d’una mostra.

QÜESTIONS

1. Normalment tots els conductímetres disposen de compensador automàtic de Temperatura (C.A.T.) incorporat. Comprova si el teu conductímetre en té o no.

2. Compara l’efecte de la Temperatura en les mesures de conductivitat amb l’efecte en les mesures de pH.

3. Què volen dir les sigles T.R? i T.C.? 4. Comprova quina és la Temperatura de Referència i el Coeficient de

Temperatura del teu conductímetre. (Mira quins són, però no en modifiquis el valor).

5. Amb quina periodicitat s’han de calibrar els conductímetres? 6. Quines dissolucions patró s’utilitzen per calibrar un conductímetre? 7. Nosaltres, quants patrons usarem per calibrar? Quin/s? 8. Quina és la conductivitat del patró de 1413 µS/cm a 20 ºC? i a 22ºC? 9. Com netegem la cel·la de conductivitat entre lectura i lectura?



42

Determinació de la conductivitat OBJECTIU Mesurar la conductivitat de diferents tipus d’aigües i de diferents dissolucions aquoses per tal de poder comparar-les i treure’n algunes conclusions. NORMES DE SEGURETAT Manipular l’àcid acètic i l’àcid clorhídric a la campana de gasos. PROCEDIMENT

1. Calibra el conductímetre (amb el patró de 1413 µS/cm).

2. Determina amb el conductímetre la conductivitat de les següents mostres:

Aigua desionitzada

Aigua de l’aixeta 1 i 2

Aigua embotellada (2 mostres de 2 marques diferents, preferiblement que una sigui de mineralització baixa (tipus Solan de Cabras...)

Aigua de riu

Dissolució d’àcid acètic 0,01M

Dissolució d’àcid acètic 0, 1M

Dissolució d’àcid clorhídric 0,01M

Dissolució d’àcid clorhídric 0,1M

Escriu els càlculs previs per fer 250 ml de les dissolucions anteriors. RESULTATS

MOSTRA Aigua desionitzada

Aigua aixeta 1

Aigua aixeta 2

Aigua embotellada (1)

Aigua embotellada (2)

Conductivitat µS/cm

Temperatura

MOSTRA Aigua riu AcH 0.01M AcH 0.1M HCl 0.1M HCl 0.01M

Conductivitat µS/cm

Temperatura



43

CONCLUSIONS Compara la conductivitat de les aigües de l’aixeta entre elles, les aigües embotellades entre elles, totes les aigües incloent la desionitzada i la del riu (ordena-les de menor a major conductivitat). Tenint en compte que la normativa d’aigües potables diu que la conductivitat ha de ser com a màxim de 2500 µS/cm a 20ºC, és suficient conèixer el valor de la conductivitat per garantir la potabilitat d’un aigua? Compara les conductivitats dels àcids segons la seva concentració, i dels àcids entre ells, segons si són forts o febles (ordena’ls de menor a major conductivitat).

- Raona com influeix en la conductivitat la concentració d’àcid.

- Raona com influeix el fet de ser un àcid fort o feble en la conductivitat.



44

Electrogravimetria d’una solució de coure(II) OBJECTIUS Observar un muntatge d’electrodeposició de nitrat de coure 0,5M (deposició electrolítica de l’analit en forma de sòlid sobre la superfície de l’elèctrode). Aquests muntatges són vàlids tant per realitzar anàlisis quantitatives gravimètriques com per obtenir revestiments metàl·lics sobre peces conductores. FONAMENT Un dels mètodes més convenients per a la determinació de Cu consisteix en l'electròlisi de les sals en dissolució. En aplicar un potencial d'uns 2 V tenen lloc les següents reaccions: Al càtode:

Cu2+ + 2 e- Cu 2 H+ + 2 e- H2

A l'ànode:

2 H2O O2 + 4 H+ + 4 e-

QÜESTIONS 1. Descriure a partir dels fenòmens observats i la taula de potencials normals de

reducció les reaccions que tenen lloc al sistema 2. Dibuixa esquemàticament l’aparell utilitzat, tot indicant quin és el càtode i quin

l’ànode 3. En aquesta determinació poden interferir els ions metàl·lics que són reduïts

més fàcilment que el Cu (II). Posa’n algun exemple i justifica la informació anterior.

ud2 dossier alumne practiques

Documents