Ejercicio resuelto de Varios · Química · Extremadura · 2023

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

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]

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

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.

$E^0(\mathrm{Au^{3+}/Au}) = +1{,}50\ \mathrm{V} > E^0(\mathrm{Ni^{2+}/Ni}) = -0{,}25\ \mathrm{V}$

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.

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

Su función es $\textbf{mantener la neutralidad eléctrica}$ 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 $\mathrm{Ni^{2+}}$ al disolverse el metal, con lo que la disolución acumularía carga positiva; en la del cátodo desaparecen cationes $\mathrm{Au^{3+}}$ 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 $\textbf{inerte}$, 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.

$\textbf{c) Razone en qué dirección circularán los electrones por el circuito. [0,50 puntos]}$

Los electrones se producen donde hay oxidación y se consumen donde hay reducción, de modo que circulan siempre $\textbf{del ánodo al cátodo}$ por el circuito externo, es decir, de la lámina de níquel a la de oro.

$\mathrm{Ni}(s) \rightarrow \mathrm{Ni^{2+}}(ac) + 2\,e^- \qquad \text{(ánodo, oxidación)}$

$\mathrm{Au^{3+}}(ac) + 3\,e^- \rightarrow \mathrm{Au}(s) \qquad \text{(cátodo, reducción)}$

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

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

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:

$3\,\mathrm{Ni}(s) + 2\,\mathrm{Au^{3+}}(ac) \rightarrow 3\,\mathrm{Ni^{2+}}(ac) + 2\,\mathrm{Au}(s)$

$E^0_{\text{pila}} = E^0_{\text{cátodo}} - E^0_{\text{ánodo}} = (+1{,}50) - (-0{,}25)$

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

El potencial $\textbf{no}$ 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:

$\mathrm{Ni}(s)\,|\,\mathrm{Ni^{2+}}(1\ \mathrm{M})\,\|\,\mathrm{Au^{3+}}(1\ \mathrm{M})\,|\,\mathrm{Au}(s)$