Ejercicio resuelto de Varios · Química · Región de Murcia · 2022

8. Considere los siguientes potenciales de reducción (los $E^\circ_{red}$ de los metales no varían con el pH):
$E^\circ_{red}$: $\mathrm{Ag^+/Ag} = 0{,}80\ \mathrm{V}$; $\mathrm{Cu^{2+}/Cu} = 0{,}34\ \mathrm{V}$; $\mathrm{H^+/\ \tfrac{1}{2}\ H_2} = 0\ \mathrm{V}$; $\mathrm{Al^{3+}/Al} = -\ 1{,}66\ \mathrm{V}$; $\mathrm{Na^+/Na} = -\ 2{,}71\ \mathrm{V}$
$E_{red} = -\ 0{,}414\ \mathrm{V}$ para el semisistema $\mathrm{H_2O\ /\ (1/2\ H_2\ +\ OH^-)}$ a pH = 7 (reducción del agua a pH 7)

I) ¿Cuál de los metales anteriores es tan reductor que reacciona explosivamente con el agua? Escriba la reacción global que tiene lugar. (0,5 p)
II) Según los potenciales dados, ¿debería una cuchara de Al disolverse en agua (a pH = 7) para dar $\mathrm{Al(OH)_3}$ e $\mathrm{H_2}$? Escriba las semirreacciones de oxidación y reducción que tendrían lugar, calcule el potencial (E) para la reacción redox y fundamente su respuesta en el signo de dicho valor. (1,0 p)
III) ¿De qué metales, de entre los anteriores, tendría que estar hecha una cuchara para no disolverse en HCl 1M? Explique brevemente su respuesta (no es necesario escribir las reacciones). (0,5 p)

$\textbf{I) ¿Cuál de los metales anteriores es tan reductor que reacciona explosivamente con el agua? Escriba la reacción global que tiene lugar. (0{,}5 p)}$

El más reductor es el que tiene el potencial de reducción más negativo, porque es el que con más facilidad cede electrones. Mirando los datos, ese es el $\textbf{sodio}$, con $E^0 = -2{,}71$ V, muy por debajo del $-0{,}414$ V de la reducción del agua a pH 7.

$2\,\mathrm{Na(s)} + 2\,\mathrm{H_2O(l)} \rightarrow 2\,\mathrm{NaOH(ac)} + \mathrm{H_2(g)}$

La reacción es tan favorable que desprende calor suficiente para inflamar el hidrógeno que ella misma produce, y de ahí que sea explosiva.

$\textbf{II) ¿Debería una cuchara de Al disolverse en agua (a pH = 7) para dar Al(OH)}_3\textbf{ e H}_2\textbf{? (1{,}0 p)}$

Semirreacción de oxidación, la del aluminio:

$\mathrm{Al} \rightarrow \mathrm{Al^{3+}} + 3\,e^- \qquad E^0 = -1{,}66 \text{ V}$

Semirreacción de reducción, la del agua a pH 7, multiplicada por 3 para igualar los electrones:

$3\,\mathrm{H_2O} + 3\,e^- \rightarrow \tfrac{3}{2}\,\mathrm{H_2} + 3\,\mathrm{OH^-} \qquad E = -0{,}414 \text{ V}$

$E = E_{\text{reducción}} - E_{\text{oxidación}} = -0{,}414 - (-1{,}66) = +1{,}25 \text{ V}$

Como el potencial sale $\textbf{positivo}$, el proceso es espontáneo y, según los datos, la cuchara $\textbf{debería}$ disolverse:

$\mathrm{Al(s)} + 3\,\mathrm{H_2O(l)} \rightarrow \mathrm{Al(OH)_3(s)} + \tfrac{3}{2}\,\mathrm{H_2(g)}$

Que en la práctica no ocurra tiene una explicación que la termodinámica no recoge: el aluminio se pasiva, es decir, se recubre de una capa finísima y compacta de $\mathrm{Al_2O_3}$ que aísla el metal del agua e impide que la reacción continúe.

$\textbf{III) ¿De qué metales tendría que estar hecha una cuchara para no disolverse en HCl 1M? (0{,}5 p)}$

Disolverse en un ácido significa que el metal se oxida cediendo electrones a los protones, que se reducen a hidrógeno. Para que eso no ocurra, el potencial de reducción del metal tiene que ser $\textbf{mayor}$ que el del par $\mathrm{H^+/H_2}$, que vale 0 V.

Cumplen esa condición la $\textbf{plata}$ ($+0{,}80$ V) y el $\textbf{cobre}$ ($+0{,}34$ V). Con cualquiera de los dos la cuchara resistiría el clorhídrico.

El aluminio y el sodio, con potenciales muy negativos, se disolverían de inmediato.