Ejercicio resuelto de Varios · 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: $E^{o}(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) = +0{,}34\ \text{V}$; $E^{o}(\text{Li}^{1+}/\text{Li}) = -3{,}04\ \text{V}$.

$\textbf{i) Plantee la reacción redox que muestra el funcionamiento de la pila. [0,75 puntos]}$

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

Oxidación:

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

Reducción:

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

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

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

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

$E^0_{\text{pila}} = E^0_{\text{cátodo}} - E^0_{\text{ánodo}} = (+0{,}34) - (-3{,}04)$

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

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.

$\textbf{iii) Identifique ánodo y cátodo de la pila indicando su polaridad. [0,25 puntos]}$

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

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

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

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:

$\mathrm{Li(s)}\ |\ \mathrm{Li^+(ac,\ 1\ M)}\ \|\ \mathrm{Cu^{2+}(ac,\ 1\ M)}\ |\ \mathrm{Cu(s)}$

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 $\textbf{electrones}$ 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 $\mathrm{Li^+}$, y los cationes hacia el del cobre, que pierde $\mathrm{Cu^{2+}}$.