Ejercicio resuelto de Pilas galvánicas · Química · 2023

a) A la vista de los siguientes potenciales normales de reducción, $E^o({\text{H}}^{+}\mathrm{/}{\text{H}}_2)=\mathrm{0,00}\text{ V}$ y $E^o({\text{Na}}^{+}\mathrm{/}\text{Na})=-\mathrm{2,71}\text{ V}$, razone si se desprenderá hidrógeno, ${\text{H}}_2$, cuando se introduce una barra de sodio en una disolución de ácido clorhídrico. [1 punto]

b) Se prepara una pila voltaica formada por electrodos estándar de $E^o({\text{Sn}}^{2+}\mathrm{/}\text{Sn})=-\mathrm{0,1375}\text{ V}$ y $E^o({\text{Pb}}^{2+}\mathrm{/}\text{Pb})=-\mathrm{0,126}\text{ V}$. Escriba la semirreacción que ocurre en cada electrodo indicando cuál es el cátodo y cuál el ánodo, así como la reacción global ajustada. [1 punto]

c) A la vista de los siguientes potenciales normales de reducción, $E^o({\text{Fe}}^{2+}\mathrm{/}\text{Fe})=-\mathrm{0,45}\text{ V}$ y $E^o({\text{Cu}}^{2+}\mathrm{/}\text{Cu})=\mathrm{0,34}\text{ V}$, ¿qué ocurrirá si se añaden limaduras de hierro (hierro en estado sólido) a una disolución de ${\text{Cu}}^{2+}$? Justifique la respuesta indicando las semirreacciones que sucederán y la reacción global. [1 punto]

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Razone}}\mathbf{\text{si}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{desprender}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{hidr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{geno,}}\mathbf{\text{H₂,}}\mathbf{\text{cuando}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{introduce}}\mathbf{\text{una}}\mathbf{\text{barra}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{sodio}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{una}}\mathbf{\text{disoluci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{cido}}\mathbf{\text{clorh}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{drico.}}\mathbf{\text{[1}}\mathbf{\text{punto]}}$

Que se desprenda hidrógeno significa que los protones del ácido se reducen, y para ello algo tiene que oxidarse cediéndoles electrones: el sodio.

Reducción (cátodo del proceso espontáneo):

$2{\mathrm{H}}^{+}+2e^{-}\to {\mathrm{H}}_2{E}^0=\mathrm{0,00}\mathrm{V}$

Oxidación:

$\mathrm{N}\mathrm{a}\to \mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}+e^{-}{E}^0(\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}\mathrm{/}\mathrm{N}\mathrm{a})=-\mathrm{2,71}\mathrm{V}$

$E_{\text{proceso}}^0=E_{\text{reducci}\acute{\text{o}}\text{n}}^0-E_{\text{oxidaci}\acute{\text{o}}\text{n}}^0=\mathrm{0,00}-(-\mathrm{2,71})=+\mathrm{2,71}\mathrm{V}$

Sale muy positivo, así que el proceso es espontáneo: $\mathbf{\text{s}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{desprende}}\mathbf{\text{hidr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{geno}}$, y con violencia. La reacción global es:

$2\mathrm{N}\mathrm{a}(\mathrm{s})+2{\mathrm{H}}^{+}(\mathrm{a}\mathrm{c})\to 2\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}(\mathrm{a}\mathrm{c})+{\mathrm{H}}_2(\mathrm{g})$

De hecho el sodio es tan reductor que reacciona incluso con el agua pura, sin necesidad de ácido.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Escriba}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{semirreacci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{ocurre}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{cada}}\mathbf{\text{electrodo}}\mathbf{\text{indicando}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{todo}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{el}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{nodo,}}\mathbf{\text{as}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{como}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{reacci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{global}}\mathbf{\text{ajustada.}}\mathbf{\text{[1}}\mathbf{\text{punto]}}$

En una pila se reduce el par de mayor potencial y se oxida el de menor. Comparando:

$E^0(\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}\mathrm{/}\mathrm{P}\mathrm{b})=-\mathrm{0,126}\mathrm{V}>E^0(\mathrm{S}{\mathrm{n}}^{2+}\mathrm{/}\mathrm{S}\mathrm{n})=-\mathrm{0,1375}\mathrm{V}$

Ánodo (oxidación), el estaño:

$\mathrm{S}\mathrm{n}(\mathrm{s})\to \mathrm{S}{\mathrm{n}}^{2+}(\mathrm{a}\mathrm{c})+2e^{-}$

Cátodo (reducción), el plomo:

$\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}(\mathrm{a}\mathrm{c})+2e^{-}\to \mathrm{P}\mathrm{b}(\mathrm{s})$

Reacción global, sumando directamente porque las dos intercambian 2 electrones:

$\mathrm{S}\mathrm{n}(\mathrm{s})+\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}(\mathrm{a}\mathrm{c})\to \mathrm{S}{\mathrm{n}}^{2+}(\mathrm{a}\mathrm{c})+\mathrm{P}\mathrm{b}(\mathrm{s})$

$E_{\text{pila}}^0=(-\mathrm{0,126})-(-\mathrm{0,1375})=+\mathrm{0,0115}\mathrm{V}$

Es una fem minúscula, apenas 11 mV: los dos potenciales son casi iguales y la pila, aunque funcione en el papel, sería inservible en la práctica.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{¿Qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{ocurrir}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{si}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{a}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\mathbf{\text{aden}}\mathbf{\text{limaduras}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{hierro}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{una}}\mathbf{\text{disoluci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{Cu²⁺?}}\mathbf{\text{Justifique}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{respuesta}}\mathbf{\text{indicando}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{semirreacciones}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{suceder}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{reacci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{global.}}\mathbf{\text{[1}}\mathbf{\text{punto]}}$

El cobre tiene el potencial de reducción mayor, así que es el $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$ el que se reduce y el hierro el que se oxida:

$\mathrm{F}\mathrm{e}(\mathrm{s})\to \mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}(\mathrm{a}\mathrm{c})+2e^{-}$

$\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}(\mathrm{a}\mathrm{c})+2e^{-}\to \mathrm{C}\mathrm{u}(\mathrm{s})$

$E^0=\mathrm{0,34}-(-\mathrm{0,45})=+\mathrm{0,79}\mathrm{V}$

Positivo, luego la reacción es espontánea:

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

Lo que se observa es que las limaduras de hierro se van disolviendo mientras sobre ellas se deposita una capa rojiza de cobre metálico, y el color azul de la disolución de $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$ se va perdiendo. Es el fundamento del recubrimiento por desplazamiento y, con otro par, de la protección catódica del hierro.