Ejercicio resuelto de Pilas galvánicas · 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)

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Indicar}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{materiales}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{reactivos}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{ser}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{necesarios.}}\mathbf{\text{(0,50)}}$

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 $\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$	electrólito de la semicelda del cinc Disolución de $\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$	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.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Realizar}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{esquema}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{dibujo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{pila}}\mathbf{\text{se}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\mathbf{\text{alando}}\mathbf{\text{el}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{nodo}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{todo.}}\mathbf{\text{(0,50)}}$

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.

$E^0(\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}\mathrm{/}\mathrm{C}\mathrm{u})=+\mathrm{0,34}\text{ V}>E^0(\mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+}\mathrm{/}\mathrm{Z}\mathrm{n})=-\mathrm{0,76}\text{ V}$

$\acute{\text{A}}\text{nodo }(-),\text{oxidaci}\acute{\text{o}}\text{n}:\mathrm{Z}\mathrm{n}(s)\to \mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+}(aq)+2e^{-}$

$\text{C}\acute{\text{a}}\text{todo }(+),\text{reducci}\acute{\text{o}}\text{n}:\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}(aq)+2e^{-}\to \mathrm{C}\mathrm{u}(s)$

$\text{Global}:\mathrm{Z}\mathrm{n}(s)+\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}(aq)\to \mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+}(aq)+\mathrm{C}\mathrm{u}(s)$

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

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.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Explicar}}\mathbf{\text{para}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{sirve}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{puente}}\mathbf{\text{salino.}}\mathbf{\text{(0,50)}}$

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

$\acute{\text{a}}\text{nodo}:\text{ exceso de }\mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+};\text{c}\acute{\text{a}}\text{todo}:\text{ defecto de }\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$

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 $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$ pudiera alcanzar la lámina de cinc, la reacción se produciría directamente sobre el metal y no se obtendría corriente.

$\mathbf{\text{d)}}\mathbf{\text{Escribir}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{notaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{pila}}\mathbf{\text{Daniell.}}\mathbf{\text{(0,50)}}$

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.

$\acute{\text{a}}\text{nodo (oxidaci}\acute{\text{o}}\text{n)}\mathrm{\mid }\mathrm{\mid }\text{c}\acute{\text{a}}\text{todo (reducci}\acute{\text{o}}\text{n)}$

$\mathrm{Z}\mathrm{n}(s)\mathrm{\mid }\mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+}(1\text{ M})\mathrm{\mid }\mathrm{\mid }\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}(1\text{ M})\mathrm{\mid }\mathrm{C}\mathrm{u}(s)$

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.