Ejercicio resuelto de Varios · 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: $E^{o}(\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}) = -0{,}44\ \text{V}$, $E^{o}(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}) = -0{,}76\ \text{V}$.

$\textbf{i) Dibújela señalando cuál es el electrodo positivo y cuál el negativo. [0,50 puntos]}$

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 $\mathrm{Zn^{2+}}$ 1 M; en el de la derecha, una lámina de hierro en $\mathrm{Fe^{2+}}$ 1 M. Los electrodos se unen por un hilo conductor con un voltímetro intercalado, y las disoluciones, por un puente salino.

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

Electrodo $\textbf{positivo}$: 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.

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

Ánodo (oxidación):

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

Cátodo (reducción):

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

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

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

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

$E^0_{\text{pila}} = E^0_{\text{cátodo}} - E^0_{\text{ánodo}} = (-0{,}44) - (-0{,}76)$

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

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

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

El puente salino cierra el circuito eléctrico por dentro de la disolución y, sobre todo, mantiene la $\textbf{neutralidad eléctrica}$ de las dos semiceldas. Sin él, el vaso del ánodo se cargaría positivamente al aparecer $\mathrm{Zn^{2+}}$ y el del cátodo, negativamente al desaparecer $\mathrm{Fe^{2+}}$, 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 $\textbf{ánodo}$ y los cationes hacia el del $\textbf{cátodo}$, es decir, en sentido contrario al de los electrones por el circuito exterior.