Ejercicio resuelto de Varios · Química · Extremadura · 2021

Se construye una pila galvánica, en condiciones estándar, mediante un electrodo de plata sumergido en una disolución de nitrato de plata (1 M), y un electrodo de cobre sumergido en una disolución de nitrato de cobre (II) (1 M).

a) Escriba las semirreacciones de oxidación y reducción, indicando ánodo, cátodo y notación (esquema) de la pila formada. [1,0 punto]

b) Calcule la f.e.m. estándar de la pila formada, indicando el sentido de circulación de los electrones. [0,50 puntos]

c) Explique la función del puente salino. Indique qué sustancias se pueden utilizar para construirlo. [0,50 puntos]

Datos: $E^0(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) = +0{,}34\ \text{V}$; $E^0(\text{Ag}^+/\text{Ag}) = +0{,}80\ \text{V}$.

$\textbf{a) Escriba las semirreacciones de oxidación y reducción, indicando ánodo, cátodo y notación (esquema) de la pila formada. [1,0 punto]}$

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.

$E^0(\mathrm{Ag^+/Ag}) = +0{,}80\ \mathrm{V} > E^0(\mathrm{Cu^{2+}/Cu}) = +0{,}34\ \mathrm{V}$

Así que la plata se reduce y el cobre se oxida.

$\textbf{Ánodo}$ (polo negativo), el electrodo de cobre, donde ocurre la oxidación:

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

$\textbf{Cátodo}$ (polo positivo), el electrodo de plata, donde ocurre la reducción. Como cada ion capta un solo electrón, se multiplica por 2 para igualar el intercambio:

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

Sumando ambas, la reacción global:

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

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

$\mathrm{Cu}(s)\,|\,\mathrm{Cu^{2+}}(1\ \mathrm{M})\,\|\,\mathrm{Ag^+}(1\ \mathrm{M})\,|\,\mathrm{Ag}(s)$

$\textbf{b) Calcule la f.e.m. estándar de la pila formada, indicando el sentido de circulación de los electrones. [0,50 puntos]}$

$E^0_{\text{pila}} = E^0_{\text{cátodo}} - E^0_{\text{ánodo}} = (+0{,}80) - (+0{,}34)$

$E^0_{\text{pila}} = +0{,}46\ \mathrm{V}$

Sale positiva, lo que confirma que el proceso es espontáneo y que la asignación de electrodos era la correcta. El potencial $\textbf{no}$ se multiplica por 2 al duplicar la semirreacción de la plata: es una propiedad intensiva y no depende de la cantidad de sustancia que reaccione.

Los electrones se producen donde hay oxidación y se consumen donde hay reducción, de modo que circulan $\textbf{del ánodo al cátodo}$ por el circuito externo, es decir, $\textbf{del electrodo de cobre al de plata}$, o lo que es lo mismo, del polo negativo al positivo por fuera de la pila. La corriente convencional va en sentido contrario.

Mientras la pila funciona se observa cómo el electrodo de cobre se adelgaza, la disolución que lo rodea toma el color azul del $\mathrm{Cu^{2+}}$ y sobre la plata crecen cristales metálicos.

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

Su función es $\textbf{mantener la neutralidad eléctrica}$ de las dos disoluciones y cerrar el circuito por dentro de la pila.

Sin él, la pila dejaría de funcionar casi al instante. En la semicelda del cobre aparecen cationes $\mathrm{Cu^{2+}}$ al disolverse el metal, y esa disolución acumularía carga positiva; en la de la plata desaparecen cationes $\mathrm{Ag^+}$ al depositarse, y quedaría un exceso de carga negativa. Esa separación de carga se opondría al paso de más electrones por el hilo.

El puente lo impide cediendo iones a ambos lados: los aniones migran hacia el ánodo y los cationes hacia el cátodo. Por el interior de la pila la corriente la transportan, pues, iones, no electrones.

Las sustancias han de ser un electrolito $\textbf{inerte}$, cuyos iones no reaccionen con las disoluciones ni se depositen en los electrodos, y a poder ser con cationes y aniones 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 ellas.

En esta pila concreta hay que ser cuidadoso con la elección: el cloruro de potasio precipitaría cloruro de plata en la semicelda del cátodo, así que lo apropiado aquí es el nitrato de potasio.