Ejercicio resuelto de Varios · Química · Islas Baleares · 2021

Considerando las siguientes especies químicas en condiciones estándar: $\mathrm{Au(s)}$, $\mathrm{Pb(s)}$, $\mathrm{Sn(s)}$, $\mathrm{Cd(s)}$, $\mathrm{Zn(s)}$, $\mathrm{Au^{+}(aq)}$, $\mathrm{Pb^{2+}(aq)}$, $\mathrm{Sn^{2+}(aq)}$, $\mathrm{Cd^{2+}(aq)}$, $\mathrm{Zn^{2+}(aq)}$ y los valores de la tabla 1, conteste a las preguntas siguientes, justificando todas las respuestas:

Tabla 1. Potenciales estándar de reducción.

Semirreacciones	$E^\circ$ (voltios) $\mathrm{Au^{+}(aq)} + 1\,\mathrm{e^{-}} \rightarrow \mathrm{Au(s)}$	1,69 $\mathrm{Pb^{2+}(aq)} + 2\,\mathrm{e^{-}} \rightarrow \mathrm{Pb(s)}$	−0,13 $\mathrm{Sn^{2+}(aq)} + 2\,\mathrm{e^{-}} \rightarrow \mathrm{Sn(s)}$	−0,14 $\mathrm{Cd^{2+}(aq)} + 2\,\mathrm{e^{-}} \rightarrow \mathrm{Cd(s)}$	−0,40 $\mathrm{Zn^{2+}(aq)} + 2\,\mathrm{e^{-}} \rightarrow \mathrm{Zn(s)}$	−0,76

a) ¿Cuál es la especie química que presenta mayor poder reductor?

b) ¿Cuál es la especie química con mayor poder oxidante?

c) ¿Cuáles de las especies químicas consideradas tienen capacidad para reducir el $\mathrm{Sn^{2+}}$?

d) ¿Qué especies químicas combinaría para construir una pila galvánica que presentase el máximo valor para la fuerza electromotriz?

$\textbf{a) ¿Cuál es la especie química que presenta mayor poder reductor?}$

El $\mathrm{Zn(s)}$.

Un reductor es la especie que se oxida, es decir, la que cede electrones. Y cuanto $\textbf{menor}$ sea el potencial de reducción de un par, menos tendencia tiene su forma oxidada a captar electrones y, por tanto, más tendencia tiene su forma reducida a cederlos.

De los cinco valores de la tabla, el más negativo es el del cinc:

$E^\circ(\mathrm{Zn^{2+}/Zn}) = -0{,}76\ \mathrm{V}$

El cinc metálico es, pues, el reductor más enérgico de la lista. Es coherente con su uso práctico como ánodo de sacrificio para proteger de la corrosión al hierro y al acero.

$\textbf{b) ¿Cuál es la especie química con mayor poder oxidante?}$

El $\mathrm{Au^+(aq)}$.

Un oxidante es la especie que se reduce, la que capta electrones. Cuanto $\textbf{mayor}$ sea el potencial de reducción, mayor es esa tendencia.

El valor más alto de la tabla, con diferencia, es el del oro:

$E^\circ(\mathrm{Au^+/Au}) = +1{,}69\ \mathrm{V}$

El catión $\mathrm{Au^+}$ es, por tanto, el oxidante más fuerte de la serie. Dicho de otro modo, el oro metálico es el metal más noble de los cinco: apenas tiene tendencia a oxidarse, y por eso se encuentra nativo en la naturaleza y no lo atacan los ácidos ordinarios.

$\textbf{c) ¿Cuáles de las especies químicas consideradas tienen capacidad para reducir el Sn²⁺?}$

El $\mathrm{Cd(s)}$ y el $\mathrm{Zn(s)}$.

Reducir el $\mathrm{Sn^{2+}}$ significa cederle electrones para convertirlo en estaño metálico. Para que el proceso sea espontáneo, la fuerza electromotriz global debe salir positiva:

$E^\circ_{\text{pila}} = E^\circ(\mathrm{Sn^{2+}/Sn}) - E^\circ(\text{par que se oxida}) > 0$

Es decir, hace falta un metal cuyo potencial de reducción sea $\textbf{menor}$ que $-0{,}14$ V. Repasando la tabla:

$\mathrm{Cd}\ (-0{,}40\ \mathrm{V})$: sí. $E^\circ_{\text{pila}} = -0{,}14 - (-0{,}40) = +0{,}26$ V.

$\mathrm{Zn}\ (-0{,}76\ \mathrm{V})$: sí. $E^\circ_{\text{pila}} = -0{,}14 - (-0{,}76) = +0{,}62$ V.

El plomo queda fuera por muy poco, ya que su potencial, $-0{,}13$ V, es ligeramente superior al del estaño, y el oro está descartado del todo.

$\textbf{d) ¿Qué especies químicas combinaría para construir una pila galvánica que presentase el máximo valor para la fuerza electromotriz?}$

La fuerza electromotriz es la diferencia entre el potencial del cátodo y el del ánodo, así que para hacerla máxima hay que separar todo lo posible ambos valores: como cátodo, el par de mayor potencial; como ánodo, el de menor.

$\textbf{Cátodo}$: electrodo de oro sumergido en una disolución de $\mathrm{Au^+}$, donde ocurre la reducción $\mathrm{Au^+} + e^- \rightarrow \mathrm{Au}$.

$\textbf{Ánodo}$: electrodo de cinc sumergido en una disolución de $\mathrm{Zn^{2+}}$, donde ocurre la oxidación $\mathrm{Zn} \rightarrow \mathrm{Zn^{2+}} + 2\,e^-$.

$E^\circ_{\text{pila}} = (+1{,}69) - (-0{,}76) = +2{,}45\ \mathrm{V}$

La reacción global, ajustando el intercambio de electrones, es:

$\mathrm{Zn(s)} + 2\,\mathrm{Au^+(aq)} \rightarrow \mathrm{Zn^{2+}(aq)} + 2\,\mathrm{Au(s)}$

Conviene recordar que el potencial del par del oro no se multiplica por 2 al ajustar: es una propiedad intensiva.