Ejercicio resuelto de Pilas galvánicas · Química · Navarra · 2022

Una pila consta de un electrodo de cobre y un electrodo de litio con sendos electrolitos de sales de ${\text{Cu}}^{2+}$ (ac. 1M) y ${\text{Li}}^{1+}$ (ac. 1M).

i) Plantee la reacción redox que muestra el funcionamiento de la pila. [0,75 puntos]

ii) Calcule el voltaje de dicha pila. [0,50 puntos]

iii) Identifique ánodo y cátodo de la pila indicando su polaridad. [0,25 puntos]

iv) Dibuje la pila, con todos sus elementos, indicando el sentido del flujo de electrones. [0,50 puntos]

Datos: $E^o({\text{Cu}}^{2+}\mathrm{/}\text{Cu})=+\mathrm{0,34}\text{ V}$; $E^o({\text{Li}}^{1+}\mathrm{/}\text{Li})=-\mathrm{3,04}\text{ V}$.

$\mathbf{\text{i)}}\mathbf{\text{Plantee}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{reacci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{redox}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{muestra}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{funcionamiento}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{pila.}}\mathbf{\text{[0,75}}\mathbf{\text{puntos]}}$

El par de menor potencial de reducción es el que se oxida y el de mayor, el que se reduce. Con $-\mathrm{3,04}$ V frente a $+\mathrm{0,34}$ V, el litio cede los electrones y el cobre los capta.

Oxidación:

$\mathrm{L}\mathrm{i}(\mathrm{s})\to \mathrm{L}{\mathrm{i}}^{+}(\mathrm{a}\mathrm{c})+1e^{-}$

Reducción:

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

Se multiplica la primera por 2 para igualar los electrones y se suman:

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

$\mathbf{\text{ii)}}\mathbf{\text{Calcule}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{voltaje}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{dicha}}\mathbf{\text{pila.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

$E_{\text{pila}}^0=E_{\text{c}\acute{\text{a}}\text{todo}}^0-E_{\acute{\text{a}}\text{nodo}}^0=(+\mathrm{0,34})-(-\mathrm{3,04})$

$E^0=+\mathrm{3,38}\mathrm{V}$

El potencial no se multiplica por 2 al ajustar la semirreacción del litio: es una propiedad intensiva y no depende de la cantidad de sustancia que reaccione.

$\mathbf{\text{iii)}}\mathbf{\text{Identifique}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{nodo}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{todo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{pila}}\mathbf{\text{indicando}}\mathbf{\text{su}}\mathbf{\text{polaridad.}}\mathbf{\text{[0,25}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Ánodo: el electrodo de $\mathbf{\text{litio}}$, donde ocurre la oxidación. En una pila es el polo $\mathbf{\text{negativo}}$, porque de él salen los electrones.

Cátodo: el electrodo de $\mathbf{\text{cobre}}$, donde ocurre la reducción. Es el polo $\mathbf{\text{positivo}}$.

$\mathbf{\text{iv)}}\mathbf{\text{Dibuje}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{pila,}}\mathbf{\text{con}}\mathbf{\text{todos}}\mathbf{\text{sus}}\mathbf{\text{elementos,}}\mathbf{\text{indicando}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{sentido}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{flujo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{electrones.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

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

$\mathrm{L}\mathrm{i}(\mathrm{s})\mathrm{\mid }\mathrm{L}{\mathrm{i}}^{+}(\mathrm{a}\mathrm{c},1\mathrm{M})\mathrm{\parallel }\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}(\mathrm{a}\mathrm{c},1\mathrm{M})\mathrm{\mid }\mathrm{C}\mathrm{u}(\mathrm{s})$

El montaje consta de dos vasos, uno con la lámina de litio sumergida en la disolución de su sal y otro con la de cobre en la suya, unidos por un hilo conductor con un voltímetro intercalado y por un puente salino.

Los $\mathbf{\text{electrones}}$ circulan por el hilo exterior desde el ánodo de litio, donde se producen, hasta el cátodo de cobre, donde se consumen al depositarse el metal: es decir, del polo negativo al positivo por fuera de la pila.

Por el puente salino se mueven los iones en el sentido que mantiene la neutralidad de cada vaso: los aniones hacia el del litio, que se enriquece en $\mathrm{L}{\mathrm{i}}^{+}$, y los cationes hacia el del cobre, que pierde $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$.