Ejercicio resuelto de Varios · Química · Región de Murcia · 2020

8. Teniendo en cuenta los siguientes potenciales estándar de reducción:
$E^\circ\ (\mathrm{Cu^{2+}/Cu}) = 0.34\ \mathrm{V}$; $E^\circ\ (\mathrm{Fe^{2+}/Fe}) = -\ 0.44\ \mathrm{V}$; $E^\circ\ (\mathrm{Zn^{2+}/Zn}) = -\ 0.76\ \mathrm{V}$;

a) Explique qué metal es más reductor: el Cu, el Fe o el Zn. Justifique su respuesta. (0,5 p)
b) Explique si se producirá alguna reacción redox espontánea al adicionar virutas de Cu a una disolución de $\mathrm{FeSO_4}$, en condiciones estándar. (0,75 p)
c) ¿Cuál de las siguientes pilas galvánicas será más eficiente, en términos de fuerza electromotriz (diferencia de potencial eléctrico)? Justifique numéricamente su respuesta. (0,75 p)
$\text{Pila A:}\quad \mathrm{Zn}\ |\ \mathrm{ZnSO_4\ (aq)\ (1\ M)}\ ||\ \mathrm{CuSO_4\ (aq)\ (1\ M)}\ |\ \mathrm{Cu}$
$\text{Pila B:}\quad \mathrm{Fe}\ |\ \mathrm{FeSO_4\ (aq)\ (1\ M)}\ ||\ \mathrm{CuSO_4\ (aq)\ (1\ M)}\ |\ \mathrm{Cu}$

$\textbf{a) Explique qué metal es más reductor: el Cu, el Fe o el Zn. (0{,}5 p)}$

Un metal es tanto más reductor cuanto más fácilmente cede electrones, y eso se traduce en un potencial de reducción más $\textbf{negativo}$: cuanto menos tendencia tiene el catión a reducirse, más tendencia tiene el metal a oxidarse.

$E^0(\mathrm{Zn^{2+}/Zn}) = -0{,}76 \ < \ E^0(\mathrm{Fe^{2+}/Fe}) = -0{,}44 \ < \ E^0(\mathrm{Cu^{2+}/Cu}) = 0{,}34 \text{ V}$

El más reductor es, por tanto, el $\textbf{Zn}$; y el cobre, con potencial positivo, el menos reductor de los tres.

$\textbf{b) Explique si se producirá alguna reacción redox espontánea al adicionar virutas de Cu a una disolución de FeSO}_4\textbf{, en condiciones estándar. (0{,}75 p)}$

La única reacción concebible sería que el cobre se oxidara cediendo electrones al $\mathrm{Fe^{2+}}$ de la disolución:

$\mathrm{Cu} + \mathrm{Fe^{2+}} \rightarrow \mathrm{Cu^{2+}} + \mathrm{Fe}$

$E^0 = E^0_{\text{reducción}} - E^0_{\text{oxidación}} = -0{,}44 - 0{,}34 = -0{,}78 \text{ V}$

Sale negativo, luego el proceso $\textbf{no}$ es espontáneo: no se producirá ninguna reacción.

Es coherente con el apartado anterior: el cobre es menos reductor que el hierro, de modo que no puede desplazarlo de sus sales. Lo que sí ocurriría es lo contrario, sumergir hierro en una disolución de cobre.

$\textbf{c) ¿Cuál de las siguientes pilas galvánicas será más eficiente, en términos de fuerza electromotriz? (0{,}75 p)}$

La notación indica que en las dos el cobre es el cátodo, donde se reduce, y el otro metal el ánodo, donde se oxida.

$E^0_{\text{A}} = E^0(\mathrm{Cu^{2+}/Cu}) - E^0(\mathrm{Zn^{2+}/Zn}) = 0{,}34 - (-0{,}76) = 1{,}10 \text{ V}$

$E^0_{\text{B}} = E^0(\mathrm{Cu^{2+}/Cu}) - E^0(\mathrm{Fe^{2+}/Fe}) = 0{,}34 - (-0{,}44) = 0{,}78 \text{ V}$

La más eficiente es la $\textbf{pila A}$, la de cinc y cobre —la clásica pila Daniell—, porque su fuerza electromotriz es mayor.

Se ve sin calcular nada: como el cátodo es el mismo en ambas, gana la que tenga el ánodo más reductor, y el cinc lo es más que el hierro.