Ejercicio resuelto de Varios · Química · Islas Canarias · 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: $E^o(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) = 0{,}34\ \text{V}$; $E^o(\text{Al}^{3+}/\text{Al}) = -1{,}67\ \text{V}$; $E^o(\text{H}^+/\text{H}_2) = 0{,}00\ \text{V}$.

$\textbf{a) Escriba las reacciones que se producen en el ánodo y en el cátodo. (0,5 puntos)}$

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:

$E^0(\mathrm{Cu^{2+}}/\mathrm{Cu}) = +0{,}34 \ \mathrm{V} > E^0(\mathrm{Al^{3+}}/\mathrm{Al}) = -1{,}67 \ \mathrm{V}$

$\textbf{Ánodo}$ (oxidación), el electrodo de aluminio:

$\mathrm{Al}(s) \rightarrow \mathrm{Al^{3+}}(ac) + 3\,e^-$

$\textbf{Cátodo}$ (reducción), el electrodo de cobre:

$\mathrm{Cu^{2+}}(ac) + 2\,e^- \rightarrow \mathrm{Cu}(s)$

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

$2\,\mathrm{Al}(s) + 3\,\mathrm{Cu^{2+}}(ac) \rightarrow 2\,\mathrm{Al^{3+}}(ac) + 3\,\mathrm{Cu}(s)$

$\textbf{b) Dé la notación de la pila formada. (0,5 puntos)}$

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:

$\mathrm{Al}(s)\ |\ \mathrm{Al^{3+}}(1\ \mathrm{M})\ ||\ \mathrm{Cu^{2+}}(1\ \mathrm{M})\ |\ \mathrm{Cu}(s)$

$\textbf{c) Calcule la fuerza electromotriz estándar (E°) de la pila. (0,5 puntos)}$

$E^0_{\text{pila}} = E^0_{\text{cátodo}} - E^0_{\text{ánodo}} = (+0{,}34) - (-1{,}67)$

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

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 $\textbf{no}$ se multiplica por los coeficientes del ajuste: es una propiedad intensiva y no depende de la cantidad de sustancia que reaccione.

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

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 $\mathrm{H^+}/\mathrm{H_2}$:

$E^0 = E^0(\mathrm{H^+}/\mathrm{H_2}) - E^0(\mathrm{Al^{3+}}/\mathrm{Al}) = 0{,}00 - (-1{,}67) = +1{,}67 \ \mathrm{V} > 0$

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

$2\,\mathrm{Al}(s) + 6\,\mathrm{H^+}(ac) \rightarrow 2\,\mathrm{Al^{3+}}(ac) + 3\,\mathrm{H_2}(g)$

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.