Ejercicio resuelto de Electrólisis · Química · 2023

Se hace pasar una corriente eléctrica de 2,5 A durante 2 horas a través de una celda electrolítica que contiene una disolución de ${\text{NiCl}}_2$.

a) Escriba las reacciones que tendrán lugar en el ánodo y el cátodo y señale el signo de cada electrodo. (0,4 puntos)

b) ¿Cuántos gramos de níquel metálico se depositarán? (0,8 puntos)

c) Calcule los moles de gas cloro [dicloro] que se desprenden y su volumen medido a 25 °C y 1 atm. (0,8 puntos)

Datos: $F=96500\text{ C}\cdot {\text{mol}}^{-1}$. Masas atómicas: $\text{Ni}=\mathrm{58,7}\text{ u}$; $\text{Cl}=\mathrm{35,5}\text{ u}$. $R=\mathrm{0,082}\text{ atm}\cdot \text{L}\cdot {\text{K}}^{-1}\cdot {\text{mol}}^{-1}$.

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Escriba}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{reacciones}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{tendr}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{lugar}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{el}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{nodo}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{todo}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{se}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\mathbf{\text{ale}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{signo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{cada}}\mathbf{\text{electrodo.}}\mathbf{\text{(0,4}}\mathbf{\text{puntos)}}$

En disolución, el cloruro de níquel(II) está disociado en sus iones:

$\mathrm{N}\mathrm{i}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2\to \mathrm{N}{\mathrm{i}}^{2+}+2\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$

En el $\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{todo}}$ ocurre la reducción, y se deposita níquel metálico:

$\mathrm{N}{\mathrm{i}}^{2+}+2e^{-}\to \mathrm{N}\mathrm{i}(s)$

En el $\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{nodo}}$ ocurre la oxidación, y los cloruros se oxidan a cloro gaseoso:

$2\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}\to \mathrm{C}{\mathrm{l}}_2(g)+2e^{-}$

En cuanto a los signos, hay que distinguir la electrólisis de la pila galvánica. Aquí es una fuente externa la que fuerza un proceso no espontáneo: su polo positivo atrae los aniones y arranca electrones, de modo que en una cuba electrolítica el $\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{nodo}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{polo}}\mathbf{\text{positivo}}$ y el $\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{todo}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{negativo}}$, al revés que en una pila.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{¿Cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{ntos}}\mathbf{\text{gramos}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{n}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{quel}}\mathbf{\text{met}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{lico}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{depositar}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{n?}}\mathbf{\text{(0,8}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Se aplican las leyes de Faraday. Primero, la carga que circula, con el tiempo en segundos:

$t=2\cdot 3600=7200\mathrm{s}$

$Q=I\cdot t=\mathrm{2,5}\cdot 7200=18000\mathrm{C}$

$n(e^{-})=\frac{Q}{F}=\frac{18000}{96500}=\mathrm{0,1865}\text{ mol}$

La semirreacción del cátodo indica que hacen falta 2 mol de electrones por cada mol de níquel:

$n(\mathrm{N}\mathrm{i})=\frac{\mathrm{0,1865}}{2}=\mathrm{0,0933}\text{ mol}$

$m(\mathrm{N}\mathrm{i})=\mathrm{0,0933}\cdot \mathrm{58,7}=\mathrm{5,47}\mathrm{g}$

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Calcule}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{moles}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{gas}}\mathbf{\text{cloro}}\mathbf{\text{[dicloro]}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{desprenden}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{su}}\mathbf{\text{volumen}}\mathbf{\text{medido}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{25}}\mathbf{\text{°C}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{1}}\mathbf{\text{atm.}}\mathbf{\text{(0,8}}\mathbf{\text{puntos)}}$

La semirreacción del ánodo también consume 2 mol de electrones por cada mol de cloro, así que:

$n(\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2)=\frac{n(e^{-})}{2}=\frac{\mathrm{0,1865}}{2}=\mathrm{0,0933}\text{ mol}$

El volumen se obtiene con la ecuación de los gases ideales, pasando la temperatura a kelvin:

$T=25+273=298\mathrm{K}$

$V=\frac{nRT}{P}=\frac{\mathrm{0,0933}\cdot \mathrm{0,082}\cdot 298}{1}$

$V(\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2)=\mathrm{2,28}\mathrm{L}$

Nótese que los moles de níquel y los de cloro coinciden, porque ambas semirreacciones intercambian el mismo número de electrones por unidad de producto.