Ejercicio resuelto de Pilas galvánicas · Química · 2022

a) El premio Nobel de Química del año 2019 fue concedido a los investigadores John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino, por el desarrollo de las baterías de ion litio. Estas baterías se encuentran en dispositivos como teléfonos móviles, ordenadores portátiles y vehículos eléctricos.

En concreto, y de forma simplificada, la pila de ion litio se fundamenta en la utilización de litio (Li) y óxido de cobalto (CoO). La reacción global de esta pila se podría representar de la forma siguiente:

$2\mathrm{L}\mathrm{i}+\mathrm{C}{\mathrm{o}}^{2+}\to 2\mathrm{L}{\mathrm{i}}^{+}+\mathrm{C}\mathrm{o}$

i) Indique, de forma razonada, cuál es la especie que actúa como oxidante en la pila anterior.

ii) Calcule la fuerza electromotriz (FEM) de la pila a partir de los siguientes potenciales normales de reducción: $E^{\circ }(\mathrm{L}{\mathrm{i}}^{+}\mathrm{/}\mathrm{L}\mathrm{i})=-\mathrm{3,05}\mathrm{V}$; $E^{\circ }(\mathrm{C}{\mathrm{o}}^{2+}\mathrm{/}\mathrm{C}\mathrm{o})=-\mathrm{0,28}\mathrm{V}$.

b) Nombre o formule los compuestos siguientes: LiOH y sulfato de cobalto(II).

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{i)}}\mathbf{\text{Indique,}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{forma}}\mathbf{\text{razonada,}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{especie}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{act}}\acute{\mathbf{\text{u}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{como}}\mathbf{\text{oxidante}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{pila}}\mathbf{\text{anterior.}}$

El oxidante es la especie que $\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{reduce}}$, es decir, la que capta electrones y disminuye su número de oxidación. Basta comparar los estados de oxidación a un lado y otro de la reacción global.

$\mathrm{L}\mathrm{i}:0\to +1$ — el litio metálico cede un electrón, se oxida. Es el reductor.

$\mathrm{C}\mathrm{o}:+2\to 0$ — el catión cobalto(II) capta dos electrones, se reduce.

Por tanto el oxidante es el $\mathrm{C}{\mathrm{o}}^{2+}$, y las semirreacciones son:

$2\mathrm{L}\mathrm{i}\to 2\mathrm{L}{\mathrm{i}}^{+}+2e^{-}\text{(}\acute{\text{a}}\text{nodo, oxidaci}\acute{\text{o}}\text{n)}$

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

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{ii)}}\mathbf{\text{Calcule}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{fuerza}}\mathbf{\text{electromotriz}}\mathbf{\text{(FEM)}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{pila}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{partir}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{siguientes}}\mathbf{\text{potenciales}}\mathbf{\text{normales}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{reducci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n.}}$

La fuerza electromotriz es la diferencia entre el potencial de reducción del cátodo y el del ánodo:

$E_{\text{pila}}^{\circ }=E_{\text{c}\acute{\text{a}}\text{todo}}^{\circ }-E_{\acute{\text{a}}\text{nodo}}^{\circ }$

El cátodo es el par del cobalto, que es el que se reduce, y el ánodo el del litio:

$E_{\text{pila}}^{\circ }=(-\mathrm{0,28})-(-\mathrm{3,05})$

$E_{\text{pila}}^{\circ }=+\mathrm{2,77}\mathrm{V}$

El valor es positivo, así que $\mathrm{\Delta }{G}^{\circ }=-nF{E}^{\circ }<0$ y el proceso es espontáneo, como corresponde a una pila. Y es un valor muy alto: ahí está la razón de que las baterías de ion litio den tanto voltaje por celda, porque el litio tiene el potencial de reducción más negativo de toda la tabla y es, por tanto, el reductor más enérgico.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Nombre}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{formule}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{compuestos}}\mathbf{\text{siguientes:}}\mathbf{\text{LiOH}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{sulfato}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{cobalto(II).}}$

$\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{O}\mathrm{H}$ — $\mathbf{\text{hidr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{xido}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{litio}}$. El litio actúa siempre con $+1$ y el grupo hidroxilo con $-1$, de modo que la proporción es 1 a 1.

$\mathbf{\text{Sulfato}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{cobalto(II)}}$ — $\mathrm{C}\mathrm{o}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$. El anión sulfato tiene carga $-2$ y el cobalto, según indica el paréntesis, actúa con $+2$, así que basta una unidad de cada uno.