Ejercicio resuelto de Pilas galvánicas · Química · Navarra · 2021

Una pila está representada por el siguiente esquema: $\text{Zn}\mid {\text{Zn}}^{2+}(1\text{M})\parallel {\text{Fe}}^{2+}(1\text{M})\mid \text{Fe}$.

i) Dibújela señalando cuál es el electrodo positivo y cuál el negativo. [0,50 puntos]

ii) Escriba las dos semirreacciones indicando ánodo y cátodo y qué especie actúa como reductor y cuál como oxidante. [0,50 puntos]

iii) Halle la diferencia de potencial en los bornes de la pila. [0,50 puntos]

iv) Explique qué funciones tiene el puente salino, ponga un ejemplo de sustancia que pueda actuar como puente salino e indique el movimiento de iones. [0,50 puntos]

Datos: $E^o({\text{Fe}}^{2+}\mathrm{/}\text{Fe})=-\mathrm{0,44}\text{ V}$, $E^o({\text{Zn}}^{2+}\mathrm{/}\text{Zn})=-\mathrm{0,76}\text{ V}$.

$\mathbf{\text{i)}}\mathbf{\text{Dib}}\acute{\mathbf{\text{u}}}\mathbf{\text{jela}}\mathbf{\text{se}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\mathbf{\text{alando}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{electrodo}}\mathbf{\text{positivo}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{negativo.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

La notación coloca el ánodo a la izquierda y el cátodo a la derecha, así que la pila consta de dos vasos: en el de la izquierda, una lámina de cinc sumergida en una disolución de $\mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+}$ 1 M; en el de la derecha, una lámina de hierro en $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}$ 1 M. Los electrodos se unen por un hilo conductor con un voltímetro intercalado, y las disoluciones, por un puente salino.

Electrodo $\mathbf{\text{negativo}}$: el de cinc, que es el ánodo, porque en él se liberan los electrones y se va disolviendo.

Electrodo $\mathbf{\text{positivo}}$: el de hierro, que es el cátodo, sobre el que se deposita metal.

Los electrones circulan por el hilo exterior de izquierda a derecha, del cinc al hierro.

$\mathbf{\text{ii)}}\mathbf{\text{Escriba}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{dos}}\mathbf{\text{semirreacciones}}\mathbf{\text{indicando}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{nodo}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{todo}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{especie}}\mathbf{\text{act}}\acute{\mathbf{\text{u}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{como}}\mathbf{\text{reductor}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{como}}\mathbf{\text{oxidante.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Ánodo (oxidación):

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

Cátodo (reducción):

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

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

El $\mathbf{\text{cinc}}$ es el reductor, porque cede electrones y hace que se reduzca el otro; el ion ${\mathbf{\text{Fe}}}^{2+}$ es el oxidante, porque los capta.

$\mathbf{\text{iii)}}\mathbf{\text{Halle}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{diferencia}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{potencial}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{bornes}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{pila.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

$E_{\text{pila}}^0=E_{\text{c}\acute{\text{a}}\text{todo}}^0-E_{\acute{\text{a}}\text{nodo}}^0=(-\mathrm{0,44})-(-\mathrm{0,76})$

$E^0=+\mathrm{0,32}\mathrm{V}$

El signo positivo confirma que la pila está bien representada: el proceso es espontáneo tal como se ha escrito.

$\mathbf{\text{iv)}}\mathbf{\text{Explique}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{funciones}}\mathbf{\text{tiene}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{puente}}\mathbf{\text{salino,}}\mathbf{\text{ponga}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{ejemplo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{sustancia}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{pueda}}\mathbf{\text{actuar}}\mathbf{\text{como}}\mathbf{\text{puente}}\mathbf{\text{salino}}\mathbf{\text{e}}\mathbf{\text{indique}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{movimiento}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{iones.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

El puente salino cierra el circuito eléctrico por dentro de la disolución y, sobre todo, mantiene la $\mathbf{\text{neutralidad}}\mathbf{\text{el}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{ctrica}}$ de las dos semiceldas. Sin él, el vaso del ánodo se cargaría positivamente al aparecer $\mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+}$ y el del cátodo, negativamente al desaparecer $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}$, y esa separación de cargas detendría la pila de inmediato.

Sirve una disolución concentrada de una sal inerte, que no reaccione con ninguno de los electrolitos: lo habitual es cloruro de potasio o nitrato de potasio, embebidos en agar-agar dentro de un tubo en U.

Los aniones del puente migran hacia el vaso del $\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{nodo}}$ y los cationes hacia el del $\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{todo}}$, es decir, en sentido contrario al de los electrones por el circuito exterior.