Ejercicio resuelto de Varios · Química · Extremadura · 2021

a) Construya la pila formada por un electrodo de cadmio sumergido en una disolución de $\text{CdSO}_4$ 1 M y un electrodo de plata sumergido en una disolución de $\text{AgNO}_3$ 1 M, indicando el ánodo, el cátodo y el sentido en el que se mueven los electrones. [1,0 punto]

b) Escriba la notación (esquema) de la pila. Explique qué función tiene el puente salino e indique el tipo de electrolito que se puede utilizar para construirlo. [1,0 punto]

Datos: $E^0(\text{Cd}^{2+}/\text{Cd}) = -0{,}44\ \text{V}$; $E^0(\text{Ag}^+/\text{Ag}) = +0{,}80\ \text{V}$.

$\textbf{a) Construya la pila formada por un electrodo de cadmio sumergido en una disolución de CdSO₄ 1 M y un electrodo de plata sumergido en una disolución de AgNO₃ 1 M, indicando el ánodo, el cátodo y el sentido en el que se mueven los electrones. [1,0 punto]}$

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.

$E^0(\mathrm{Ag^+/Ag}) = +0{,}80\ \mathrm{V} > E^0(\mathrm{Cd^{2+}/Cd}) = -0{,}44\ \mathrm{V}$

Así que la plata se reduce y el cadmio se oxida. La pila consta de estas piezas:

Elemento	Descripción Ánodo (polo negativo)	barra de cadmio sumergida en la disolución de CdSO₄ 1 M Cátodo (polo positivo)	barra de plata sumergida en la disolución de AgNO₃ 1 M Circuito externo	hilo conductor que une ambas barras, con un voltímetro intercalado Puente salino	tubo en U con un electrolito inerte que conecta las dos disoluciones

En el ánodo, oxidación:

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

En el cátodo, reducción, multiplicada por 2 para igualar el intercambio de electrones:

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

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

El $\textbf{sentido de los electrones}$ por el circuito externo es del ánodo al cátodo, es decir, $\textbf{de la barra de cadmio a la de plata}$, o lo que es lo mismo, del polo negativo al positivo por fuera de la pila.

La fuerza electromotriz que proporcionaría es:

$E^0_{\text{pila}} = E^0_{\text{cátodo}} - E^0_{\text{ánodo}} = (+0{,}80) - (-0{,}44) = +1{,}24\ \mathrm{V}$

Sale positiva, lo que confirma que la asignación de electrodos era la correcta.

$\textbf{b) Escriba la notación (esquema) de la pila. Explique qué función tiene el puente salino e indique el tipo de electrolito que se puede utilizar para construirlo. [1,0 punto]}$

Por convenio, el ánodo se escribe a la izquierda y el cátodo a la derecha; una barra simple separa dos fases distintas y una barra doble representa el puente salino:

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

La función del puente salino 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 cadmio aparecen cationes $\mathrm{Cd^{2+}}$ al disolverse el metal, con lo que esa disolución acumularía carga positiva; en la de la plata desaparecen cationes $\mathrm{Ag^+}$ al depositarse, con lo que 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 iones, no electrones.

El electrolito ha de ser $\textbf{inerte}$: sus iones no deben reaccionar con las disoluciones ni depositarse en los electrodos, y conviene que el catión y el anión tengan movilidades parecidas. Lo habitual es una disolución concentrada de nitrato de potasio, cloruro de potasio o nitrato de amonio, inmovilizada en agar-agar dentro de un tubo en U.

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