Ejercicio resuelto de Pilas galvánicas · Química · 2023

Sean los potenciales normales de reducción $E^0({\text{Ni}}^{2+}\mathrm{/}\text{Ni})=-\mathrm{0,25}\text{ V}$ y $E^0({\text{Au}}^{3+}\mathrm{/}\text{Au})=+\mathrm{1,50}\text{ V}$.

a) Dibuje un esquema de la pila que se puede construir señalando cuál es el cátodo y cuál es el ánodo. [0,50 puntos]

b) Indique la función del puente salino y qué materiales se pueden utilizar para construirlo. [0,50 puntos]

c) Razone en qué dirección circularán los electrones por el circuito. [0,50 puntos]

d) Calcule el potencial normal (fuerza electromotriz) de la pila y escriba la notación de la pila. [0,50 puntos]

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Dibuje}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{esquema}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{pila}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{puede}}\mathbf{\text{construir}}\mathbf{\text{se}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\mathbf{\text{alando}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{todo}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{el}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{nodo.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Lo primero es decidir qué par se reduce y cuál se oxida, y eso lo fijan los potenciales: en el cátodo va siempre el par de mayor potencial de reducción, porque es el que tiene más tendencia a captar electrones.

$E^0(\mathrm{A}{\mathrm{u}}^{3+}\mathrm{/}\mathrm{A}\mathrm{u})=+\mathrm{1,50}\mathrm{V}>E^0(\mathrm{N}{\mathrm{i}}^{2+}\mathrm{/}\mathrm{N}\mathrm{i})=-\mathrm{0,25}\mathrm{V}$

La pila consta de estas piezas:

Elemento	Descripción Ánodo (polo negativo)	lámina de níquel sumergida en una disolución 1 M de una sal de Ni²⁺, por ejemplo NiSO₄ Cátodo (polo positivo)	lámina de oro sumergida en una disolución 1 M de una sal de Au³⁺, por ejemplo AuCl₃ Circuito externo	un hilo conductor que une ambas láminas, con un voltímetro intercalado Puente salino	un tubo en U con un electrolito inerte que conecta las dos disoluciones

Mientras la pila funciona, la lámina de níquel se va disolviendo y sobre la de oro se deposita oro metálico.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Indique}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{funci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{puente}}\mathbf{\text{salino}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{materiales}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{pueden}}\mathbf{\text{utilizar}}\mathbf{\text{para}}\mathbf{\text{construirlo.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Su función es $\mathbf{\text{mantener}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{neutralidad}}\mathbf{\text{el}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{ctrica}}$ de las dos disoluciones y cerrar el circuito por dentro.

Sin él, la pila se pararía casi al instante. En la semicelda del ánodo aparecen cationes $\mathrm{N}{\mathrm{i}}^{2+}$ al disolverse el metal, con lo que la disolución acumularía carga positiva; en la del cátodo desaparecen cationes $\mathrm{A}{\mathrm{u}}^{3+}$ al depositarse, con lo que quedaría un exceso de carga negativa. Esa separación de carga se opondría al paso de más electrones.

El puente lo evita cediendo iones a ambos lados: los aniones migran hacia el ánodo y los cationes hacia el cátodo. Nótese que por el interior de la pila la corriente la transportan iones, no electrones; los electrones solo circulan por el hilo exterior.

Los materiales han de ser un electrolito $\mathbf{\text{inerte}}$, cuyos iones no reaccionen con las disoluciones ni se depositen en los electrodos, y con iones de movilidad parecida. Se usan disoluciones concentradas de cloruro de potasio, nitrato de potasio o nitrato de amonio, normalmente inmovilizadas en agar-agar dentro de un tubo en U. También sirve una tira de papel de filtro empapada en esas disoluciones.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Razone}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{direcci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{circular}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{electrones}}\mathbf{\text{por}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{circuito.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Los electrones se producen donde hay oxidación y se consumen donde hay reducción, de modo que circulan siempre $\mathbf{\text{del}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{nodo}}\mathbf{\text{al}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{todo}}$ por el circuito externo, es decir, de la lámina de níquel a la de oro.

$\mathrm{N}\mathrm{i}(s)\to \mathrm{N}{\mathrm{i}}^{2+}(ac)+2e^{-}\text{(}\acute{\text{a}}\text{nodo, oxidaci}\acute{\text{o}}\text{n)}$

$\mathrm{A}{\mathrm{u}}^{3+}(ac)+3e^{-}\to \mathrm{A}\mathrm{u}(s)\text{(c}\acute{\text{a}}\text{todo, reducci}\acute{\text{o}}\text{n)}$

Dicho de otro modo: van del polo negativo al positivo por fuera de la pila. La corriente convencional, por definición, va en sentido contrario.

$\mathbf{\text{d)}}\mathbf{\text{Calcule}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{potencial}}\mathbf{\text{normal}}\mathbf{\text{(fuerza}}\mathbf{\text{electromotriz)}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{pila}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{escriba}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{notaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{pila.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Para escribir la reacción global hay que igualar los electrones intercambiados, multiplicando la oxidación por 3 y la reducción por 2, de modo que ambas manejen 6:

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

$E_{\text{pila}}^0=E_{\text{c}\acute{\text{a}}\text{todo}}^0-E_{\acute{\text{a}}\text{nodo}}^0=(+\mathrm{1,50})-(-\mathrm{0,25})$

$E_{\text{pila}}^0=+\mathrm{1,75}\mathrm{V}$

El potencial $\mathbf{\text{no}}$ se multiplica por 2 ni por 3 al ajustar las semirreacciones: es una propiedad intensiva y no depende de la cantidad de sustancia que reaccione.

La notación, con el ánodo a la izquierda, una barra simple entre fases distintas y una doble para el puente salino:

$\mathrm{N}\mathrm{i}(s)\mathrm{\mid }\mathrm{N}{\mathrm{i}}^{2+}(1\mathrm{M})\mathrm{\parallel }\mathrm{A}{\mathrm{u}}^{3+}(1\mathrm{M})\mathrm{\mid }\mathrm{A}\mathrm{u}(s)$