Ejercicio resuelto de Números de oxidación · Química · 2022

B2. Se quiere construir una pila Daniell.

a) Indicar los materiales y reactivos que serán necesarios. (0,50)
b) Realizar un esquema o dibujo de la pila señalando el ánodo y el cátodo. (0,50)
c) Explicar para qué sirve el puente salino. (0,50)
d) Escribir la notación de la pila Daniell. (0,50)

$\textbf{a) Indicar los materiales y reactivos que serán necesarios. (0,50)}$

La pila Daniell es la formada por los pares del cinc y del cobre. Cada semicelda necesita el metal como electrodo y una disolución de una sal de su propio catión, y a eso hay que añadir lo que conecta ambas: el puente salino por dentro y el circuito eléctrico por fuera.

Material o reactivo	Para qué sirve Dos vasos de precipitados de 250 mL	contienen las dos semiceldas Electrodo de cinc	ánodo; se oxida y se va consumiendo Electrodo de cobre	cátodo; sobre él se deposita cobre Disolución de $\mathrm{ZnSO_4}$	electrólito de la semicelda del cinc Disolución de $\mathrm{CuSO_4}$	electrólito de la semicelda del cobre Puente salino con KCl saturado	cierra el circuito por el interior sin mezclar las disoluciones Voltímetro y cables de conexión	cierran el circuito por el exterior y miden la fem

La sal del puente ha de ser inerte para la reacción, es decir, sus iones no deben precipitar ni reaccionar con ninguno de los dos electrólitos; el cloruro de potasio saturado cumple esa condición.

$\textbf{b) Realizar un esquema o dibujo de la pila señalando el ánodo y el cátodo. (0,50)}$

Se asignan los electrodos comparando los potenciales de reducción: el par de potencial más alto se reduce y actúa de cátodo, y el más bajo se oxida y actúa de ánodo.

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

$\text{Ánodo }(-),\ \text{oxidación}:\ \mathrm{Zn}\,(s)\rightarrow \mathrm{Zn^{2+}}\,(aq)+2\,e^-$

$\text{Cátodo }(+),\ \text{reducción}:\ \mathrm{Cu^{2+}}\,(aq)+2\,e^-\rightarrow \mathrm{Cu}\,(s)$

$\text{Global}:\ \mathrm{Zn}\,(s)+\mathrm{Cu^{2+}}\,(aq)\rightarrow \mathrm{Zn^{2+}}\,(aq)+\mathrm{Cu}\,(s)$

$E^0_{\text{pila}}=0{,}34-(-0{,}76)=+1{,}10\ \text{V}$

El esquema se dispone con las dos semiceldas una al lado de la otra: a la izquierda el vaso con la disolución de sulfato de cinc y la lámina de cinc sumergida, que es el ánodo y el polo negativo; a la derecha el vaso con sulfato de cobre(II) y la lámina de cobre, que es el cátodo y el polo positivo. Por arriba, el hilo conductor une los dos electrodos a través del voltímetro, y los electrones circulan por él del cinc al cobre. Entre los dos vasos, el puente salino en forma de U invertida conecta las disoluciones.

$\textbf{c) Explicar para qué sirve el puente salino. (0,50)}$

Se razona qué ocurriría sin él. En el ánodo se generan cationes $\mathrm{Zn^{2+}}$, de modo que esa disolución acumularía carga positiva; en el cátodo desaparecen cationes $\mathrm{Cu^{2+}}$, con lo que allí quedaría un exceso de carga negativa.

$\text{ánodo}:\ \text{exceso de }\mathrm{Zn^{2+}};\qquad \text{cátodo}:\ \text{defecto de }\mathrm{Cu^{2+}}$

Esa separación de carga crearía un campo eléctrico opuesto al paso de los electrones y la pila se detendría de inmediato. El puente lo evita permitiendo la migración de iones: sus aniones van hacia el ánodo y sus cationes hacia el cátodo.

El puente salino cumple tres funciones a la vez: evita que se mezclen las dos disoluciones, permite el contacto eléctrico entre ellas cerrando el circuito por el interior, y mantiene la neutralidad eléctrica de cada semicelda. Si el $\mathrm{Cu^{2+}}$ pudiera alcanzar la lámina de cinc, la reacción se produciría directamente sobre el metal y no se obtendría corriente.

$\textbf{d) Escribir la notación de la pila Daniell. (0,50)}$

La notación abreviada coloca el ánodo a la izquierda y el cátodo a la derecha, separados por la doble barra que representa el puente salino; dentro de cada semicelda, la barra simple separa el metal de su disolución.

$\text{ánodo (oxidación)}\ ||\ \text{cátodo (reducción)}$

$\mathrm{Zn}\,(s)\,|\,\mathrm{Zn^{2+}}\,(1\ \text{M})\,||\,\mathrm{Cu^{2+}}\,(1\ \text{M})\,|\,\mathrm{Cu}\,(s)$

La pila se escribe con el cinc a la izquierda, por ser el ánodo y el polo negativo, y el cobre a la derecha, por ser el cátodo y el polo positivo. Las concentraciones unitarias corresponden a las condiciones estándar, en las que la fuerza electromotriz vale 1,10 V.