Ejercicio resuelto de Varios · Química · Navarra · 2025

De acuerdo con los potenciales estándar de reducción dados,

i) Razone si respectivas piezas de litio, cobre, plata y estaño podrían ser oxidadas al ser sumergidas en una disolución acuosa de cloruro de hidrógeno 1 M, produciendo el correspondiente cloruro del metal e hidrógeno. [0,50 puntos]

ii) Si se dispusiera de láminas de dichos metales y disoluciones 1 M de cloruro de litio, sulfato de cobre (II), nitrato de plata (I) y sulfato de estaño (II), indique el voltaje de la celda galvánica que nos proporcionaría el mayor voltaje. [0,50 puntos]

iii) Ajuste las semirreacciones que se producirían en dicha celda galvánica y la reacción global identificando las reacciones que se producen en ánodo y cátodo. [0,50 puntos]

iv) Dibuje un esquema de dicha celda galvánica indicando claramente el flujo de los iones y de los electrones en el conductor. [0,50 puntos]

Datos: $E^{o}(\text{Li}^{+}/\text{Li}) = -3{,}04\ \text{V}$; $E^{o}(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) = +0{,}34\ \text{V}$; $E^{o}(\text{Ag}^{+}/\text{Ag}) = +0{,}80\ \text{V}$; $E^{o}(\text{Sn}^{2+}/\text{Sn}) = -0{,}40\ \text{V}$ y $E^{o}(\text{H}^{+}/\text{H}_2) = 0{,}00\ \text{V}$.

$\textbf{i) Razone si respectivas piezas de litio, cobre, plata y estaño podrían ser oxidadas al ser sumergidas en una disolución acuosa de cloruro de hidrógeno 1 M, produciendo el correspondiente cloruro del metal e hidrógeno. [0,50 puntos]}$

El ácido clorhídrico solo puede oxidar a un metal si la reacción global sale espontánea, es decir, si al reducirse los protones a hidrógeno la fem resulta positiva:

$E^0_{\text{pila}} = E^0(\mathrm{H^+/H_2}) - E^0(\mathrm{M^{n+}/M}) = 0{,}00 - E^0(\mathrm{M^{n+}/M})$

Eso ocurre cuando el potencial de reducción del metal es $\textbf{negativo}$. Recorriendo la lista:

Litio, $E^0 = -3{,}04$ V, y estaño, $E^0 = -0{,}40$ V: la fem sale $+3{,}04$ V y $+0{,}40$ V, positiva en ambos casos, así que $\textbf{sí}$ se oxidan y se disuelven desprendiendo hidrógeno.

Cobre, $E^0 = +0{,}34$ V, y plata, $E^0 = +0{,}80$ V: la fem sale negativa, $-0{,}34$ V y $-0{,}80$ V, y $\textbf{no}$ reaccionan. Son metales nobles, y los ácidos no oxidantes como el clorhídrico no los atacan.

$\textbf{ii) indique el voltaje de la celda galvánica que nos proporcionaría el mayor voltaje. [0,50 puntos]}$

Para hacer máxima la fem hay que tomar como cátodo el par de mayor potencial de reducción y como ánodo el de menor:

$E^0(\mathrm{Li^+/Li}) = -3{,}04 < E^0(\mathrm{Sn^{2+}/Sn}) = -0{,}40 < E^0(\mathrm{Cu^{2+}/Cu}) = +0{,}34 < E^0(\mathrm{Ag^+/Ag}) = +0{,}80$

Se combinan, por tanto, el electrodo de litio en cloruro de litio 1 M como ánodo y el de plata en nitrato de plata(I) 1 M como cátodo:

$E^0_{\text{pila}} = (+0{,}80) - (-3{,}04) = +3{,}84\ \mathrm{V}$

$\textbf{iii) Ajuste las semirreacciones que se producirían en dicha celda galvánica y la reacción global identificando las reacciones que se producen en ánodo y cátodo. [0,50 puntos]}$

Ánodo (oxidación):

$\mathrm{Li(s)} \rightarrow \mathrm{Li^+(ac)} + 1\,e^-$

Cátodo (reducción):

$\mathrm{Ag^+(ac)} + 1\,e^- \rightarrow \mathrm{Ag(s)}$

Las dos intercambian un solo electrón, así que se suman directamente sin multiplicar por nada:

$\mathrm{Li(s)} + \mathrm{Ag^+(ac)} \rightarrow \mathrm{Li^+(ac)} + \mathrm{Ag(s)}$

$\textbf{iv) Dibuje un esquema de dicha celda galvánica indicando claramente el flujo de los iones y de los electrones en el conductor. [0,50 puntos]}$

La pila se describe de forma abreviada con el ánodo a la izquierda, el cátodo a la derecha y la doble barra del puente salino en medio:

$\mathrm{Li(s)}\ |\ \mathrm{LiCl(ac,\ 1\ M)}\ \|\ \mathrm{AgNO_3(ac,\ 1\ M)}\ |\ \mathrm{Ag(s)}$

El montaje son dos vasos, uno con la lámina de litio en su disolución de cloruro de litio y otro con la de plata en nitrato de plata, unidos por un puente salino y por un hilo conductor con un voltímetro intercalado.

Los $\textbf{electrones}$ recorren el hilo exterior desde el ánodo de litio, que es el polo negativo y donde se producen, hasta el cátodo de plata, donde se consumen al depositarse el metal.

Los $\textbf{iones}$ circulan por el puente salino en el sentido que compensa las cargas: los aniones hacia el vaso del ánodo, que se enriquece en $\mathrm{Li^+}$, y los cationes hacia el del cátodo, que pierde $\mathrm{Ag^+}$. Sin el puente salino la separación de cargas detendría la pila de inmediato.