Ejercicio resuelto de Pilas galvánicas · Química · 2023

En base a las reacciones de oxidación y reducción, justifique qué sucede al añadir:

a) limaduras de $\text{Zn}$ a una disolución de ${\text{FeSO}}_4$. [1,0 punto]

b) limaduras de $\text{Cu}$ a una disolución de ${\text{FeSO}}_4$. [1,0 punto]

Datos: $E^0({\text{Zn}}^{2+}\mathrm{/}\text{Zn})=-\mathrm{0,76}\text{ V}$; $E^0({\text{Fe}}^{2+}\mathrm{/}\text{Fe})=-\mathrm{0,44}\text{ V}$; $E^0({\text{Cu}}^{2+}\mathrm{/}\text{Cu})=\mathrm{0,34}\text{ V}$.

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{En}}\mathbf{\text{base}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{reacciones}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{oxidaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{reducci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n,}}\mathbf{\text{justifique}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{sucede}}\mathbf{\text{al}}\mathbf{\text{a}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\mathbf{\text{adir}}\mathbf{\text{limaduras}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{Zn}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{una}}\mathbf{\text{disoluci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{FeSO₄.}}\mathbf{\text{[1,0}}\mathbf{\text{punto]}}$

La pregunta se reduce a decidir si el proceso es espontáneo, y eso lo dicen los potenciales: un metal desplaza de su sal a otro metal cuando su potencial de reducción es $\mathbf{\text{menor}}$, porque entonces es el más reductor de los dos.

$E^0(\mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+}\mathrm{/}\mathrm{Z}\mathrm{n})=-\mathrm{0,76}\mathrm{V}<E^0(\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}\mathrm{/}\mathrm{F}\mathrm{e})=-\mathrm{0,44}\mathrm{V}$

El cinc es el más reductor, así que se oxida y cede sus electrones al hierro(II), que se reduce a hierro metálico.

$\mathrm{Z}\mathrm{n}(s)\to \mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+}(ac)+2e^{-}\text{(oxidaci}\acute{\text{o}}\text{n)}$

$\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}(ac)+2e^{-}\to \mathrm{F}\mathrm{e}(s)\text{(reducci}\acute{\text{o}}\text{n)}$

$\mathrm{Z}\mathrm{n}(s)+\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}(ac)\to \mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+}(ac)+\mathrm{F}\mathrm{e}(s)$

$E^0=E_{\text{reducci}\acute{\text{o}}\text{n}}^0-E_{\text{oxidaci}\acute{\text{o}}\text{n}}^0=(-\mathrm{0,44})-(-\mathrm{0,76})=+\mathrm{0,32}\mathrm{V}$

Como sale positivo, la reacción $\mathbf{\text{s}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{produce}}$. En la práctica se observa que las limaduras de cinc se van disolviendo y sobre ellas aparece un depósito oscuro de hierro metálico, mientras el color verde pálido del $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}$ se desvanece.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{En}}\mathbf{\text{base}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{reacciones}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{oxidaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{reducci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n,}}\mathbf{\text{justifique}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{sucede}}\mathbf{\text{al}}\mathbf{\text{a}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\mathbf{\text{adir}}\mathbf{\text{limaduras}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{Cu}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{una}}\mathbf{\text{disoluci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{FeSO₄.}}\mathbf{\text{[1,0}}\mathbf{\text{punto]}}$

Ahora los potenciales están al revés:

$E^0(\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}\mathrm{/}\mathrm{C}\mathrm{u})=+\mathrm{0,34}\mathrm{V}>E^0(\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}\mathrm{/}\mathrm{F}\mathrm{e})=-\mathrm{0,44}\mathrm{V}$

El cobre es menos reductor que el hierro, de modo que no puede arrancarle electrones al $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}$. Si se plantea igualmente la reacción:

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

$E^0=(-\mathrm{0,44})-(+\mathrm{0,34})=-\mathrm{0,78}\mathrm{V}$

El potencial es negativo, así que el proceso $\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{espont}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{neo}}$ y no ocurre nada: las limaduras de cobre permanecen intactas y la disolución no cambia.

Lo que sí sería espontáneo es el proceso inverso, es decir, que el hierro desplazara al cobre de sus sales. De hecho, sumergir un clavo de hierro en disolución de sulfato de cobre(II) es la demostración de laboratorio más conocida de este fenómeno: el clavo se cubre de cobre rojizo y el azul de la disolución se atenúa.