Ejercicio resuelto de Pilas galvánicas · Química · 2020

Los electrodos de una pila galvánica son de cobre (Cu) y aluminio (Al).

a) Escriba las reacciones que se producen en el ánodo y en el cátodo. (0,5 puntos)

b) Dé la notación de la pila formada. (0,5 puntos)

c) Calcule la fuerza electromotriz estándar ($E^o$) de la pila. (0,5 puntos)

d) Razone si se desprenderá hidrógeno [dihidrógeno] al introducir una barra de aluminio en una disolución de ácido clorhídrico [cloruro de hidrógeno]. (0,5 puntos)

Datos: potenciales normales de reducción: $E^o({\text{Cu}}^{2+}\mathrm{/}\text{Cu})=\mathrm{0,34}\text{ V}$; $E^o({\text{Al}}^{3+}\mathrm{/}\text{Al})=-\mathrm{1,67}\text{ V}$; $E^o({\text{H}}^{+}\mathrm{/}{\text{H}}_2)=\mathrm{0,00}\text{ V}$.

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Escriba}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{reacciones}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{producen}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{el}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{nodo}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{todo.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

En una pila galvánica el electrodo de mayor potencial de reducción actúa de cátodo, donde ocurre la reducción, y el de menor potencial de ánodo, donde ocurre la oxidación. Comparando los datos:

$E^0(\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}\mathrm{/}\mathrm{C}\mathrm{u})=+\mathrm{0,34}\mathrm{V}>E^0(\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}\mathrm{/}\mathrm{A}\mathrm{l})=-\mathrm{1,67}\mathrm{V}$

$\acute{\mathbf{\text{A}}}\mathbf{\text{nodo}}$ (oxidación), el electrodo de aluminio:

$\mathrm{A}\mathrm{l}(s)\to \mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}(ac)+3e^{-}$

$\mathbf{\text{C}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{todo}}$ (reducción), el electrodo de cobre:

$\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}(ac)+2e^{-}\to \mathrm{C}\mathrm{u}(s)$

Igualando los electrones intercambiados a 6, la reacción global de la pila es:

$2\mathrm{A}\mathrm{l}(s)+3\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}(ac)\to 2\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}(ac)+3\mathrm{C}\mathrm{u}(s)$

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{D}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{notaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{pila}}\mathbf{\text{formada.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Por convenio, el ánodo se escribe a la izquierda y el cátodo a la derecha; la barra simple separa las fases de un mismo electrodo y la doble representa el puente salino:

$\mathrm{A}\mathrm{l}(s)\mathrm{\mid }\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}(1\mathrm{M})\mathrm{\mid }\mathrm{\mid }\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}(1\mathrm{M})\mathrm{\mid }\mathrm{C}\mathrm{u}(s)$

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Calcule}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{fuerza}}\mathbf{\text{electromotriz}}\mathbf{\text{est}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{ndar}}\mathbf{\text{(E°)}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{pila.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

$E_{\text{pila}}^0=E_{\text{c}\acute{\text{a}}\text{todo}}^0-E_{\acute{\text{a}}\text{nodo}}^0=(+\mathrm{0,34})-(-\mathrm{1,67})$

$E_{\text{pila}}^0=+\mathrm{2,01}\mathrm{V}$

El valor sale positivo, lo que confirma que la reacción del apartado a) es la espontánea y que la asignación de electrodos era la correcta.

Conviene recordar que el potencial $\mathbf{\text{no}}$ se multiplica por los coeficientes del ajuste: es una propiedad intensiva y no depende de la cantidad de sustancia que reaccione.

$\mathbf{\text{d)}}\mathbf{\text{Razone}}\mathbf{\text{si}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{desprender}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{hidr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{geno}}\mathbf{\text{[dihidr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{geno]}}\mathbf{\text{al}}\mathbf{\text{introducir}}\mathbf{\text{una}}\mathbf{\text{barra}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{aluminio}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{una}}\mathbf{\text{disoluci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{cido}}\mathbf{\text{clorh}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{drico.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Que un metal desprenda hidrógeno con un ácido significa que reduce los protones mientras él se oxida. Basta comparar su potencial con el del par ${\mathrm{H}}^{+}\mathrm{/}{\mathrm{H}}_2$:

$E^0=E^0({\mathrm{H}}^{+}\mathrm{/}{\mathrm{H}}_2)-E^0(\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}\mathrm{/}\mathrm{A}\mathrm{l})=\mathrm{0,00}-(-\mathrm{1,67})=+\mathrm{1,67}\mathrm{V}>0$

El potencial es muy positivo, así que la reacción $\mathbf{\text{s}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}$ es espontánea y se desprenderá hidrógeno. Ajustando el intercambio de electrones a 6:

$2\mathrm{A}\mathrm{l}(s)+6{\mathrm{H}}^{+}(ac)\to 2\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}(ac)+3{\mathrm{H}}_2(g)$

En la práctica el aluminio parece resistir a muchos ácidos, pero eso se debe a la capa de óxido que lo recubre y lo pasiva, no a que la reacción no sea favorable.