Ejercicio resuelto de Varios · Química · 2023

a) A la vista de los siguientes potenciales normales de reducción, $E^o(\text{H}^+/\text{H}_2) = 0{,}00\ \text{V}$ y $E^o(\text{Na}^+/\text{Na}) = -2{,}71\ \text{V}$, 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 $E^o(\text{Sn}^{2+}/\text{Sn}) = -0{,}1375\ \text{V}$ y $E^o(\text{Pb}^{2+}/\text{Pb}) = -0{,}126\ \text{V}$. 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, $E^o(\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}) = -0{,}45\ \text{V}$ y $E^o(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) = 0{,}34\ \text{V}$, ¿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]

$\textbf{a) Razone si se desprenderá hidrógeno, H₂, cuando se introduce una barra de sodio en una disolución de ácido clorhídrico. [1 punto]}$

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):

$2\,\mathrm{H^+} + 2\,e^- \rightarrow \mathrm{H_2} \qquad E^0 = 0{,}00\ \mathrm{V}$

Oxidación:

$\mathrm{Na} \rightarrow \mathrm{Na^+} + e^- \qquad E^0(\mathrm{Na^+/Na}) = -2{,}71\ \mathrm{V}$

$E^0_{\text{proceso}} = E^0_{\text{reducción}} - E^0_{\text{oxidación}} = 0{,}00 - (-2{,}71) = +2{,}71\ \mathrm{V}$

Sale muy positivo, así que el proceso es espontáneo: $\textbf{sí se desprende hidrógeno}$, y con violencia. La reacción global es:

$2\,\mathrm{Na(s)} + 2\,\mathrm{H^+(ac)} \rightarrow 2\,\mathrm{Na^+(ac)} + \mathrm{H_2(g)}$

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

$\textbf{b) Escriba la semirreacción que ocurre en cada electrodo indicando cuál es el cátodo y cuál el ánodo, así como la reacción global ajustada. [1 punto]}$

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

$E^0(\mathrm{Pb^{2+}/Pb}) = -0{,}126\ \mathrm{V} \ > \ E^0(\mathrm{Sn^{2+}/Sn}) = -0{,}1375\ \mathrm{V}$

Ánodo (oxidación), el estaño:

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

Cátodo (reducción), el plomo:

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

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

$\mathrm{Sn(s)} + \mathrm{Pb^{2+}(ac)} \rightarrow \mathrm{Sn^{2+}(ac)} + \mathrm{Pb(s)}$

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

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.

$\textbf{c) ¿Qué ocurrirá si se añaden limaduras de hierro a una disolución de Cu²⁺? Justifique la respuesta indicando las semirreacciones que sucederán y la reacción global. [1 punto]}$

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

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

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

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

Positivo, luego la reacción es espontánea:

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

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 $\mathrm{Cu^{2+}}$ se va perdiendo. Es el fundamento del recubrimiento por desplazamiento y, con otro par, de la protección catódica del hierro.