Ejercicio resuelto de Varios · Química · Castilla y León · 2022

Responda a las siguientes cuestiones:

a) Ajuste por el método ion-electrón la siguiente reacción redox, indicando razonadamente qué agente es el oxidante y qué agente es el reductor y expresando los pares redox: (Hasta 1,0 puntos)

$\text{Br}_2 + \text{KOH} \rightarrow \text{KBr} + \text{KBrO}_3 + \text{H}_2\text{O}$

b) Se dispone de una pila Daniell con electrodos de $\text{Zn}$ y $\text{Cu}$. Explique su funcionamiento hablando de cátodo, ánodo, potencial estándar de reducción y puente salino. (Hasta 1,0 puntos)

Datos: potenciales estándar de reducción: $E^{o}(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}) = -0{,}76\ \text{V}$; $E^{o}(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) = +0{,}15\ \text{V}$.

$\textbf{a) Ajuste por el método ion-electrón la siguiente reacción redox, indicando razonadamente qué agente es el oxidante y qué agente es el reductor y expresando los pares redox: (Hasta 1,0 puntos)}$

Lo primero que llama la atención es que solo hay una especie que cambie de número de oxidación: el bromo pasa de 0 en el $\mathrm{Br_2}$ a $-1$ en el bromuro y a $+5$ en el bromato. Se trata de una $\textbf{dismutación}$, en la que la misma sustancia se oxida y se reduce.

El $\mathrm{Br_2}$ es, por tanto, $\textbf{a la vez oxidante y reductor}$, y los pares redox implicados son $\mathrm{Br_2}/\mathrm{Br^-}$ y $\mathrm{BrO_3^-}/\mathrm{Br_2}$.

Semirreacción de reducción:

$\mathrm{Br_2} + 2\,e^- \rightarrow 2\,\mathrm{Br^-}$

Semirreacción de oxidación, ajustada en medio básico, que es el del hidróxido de potasio:

$\mathrm{Br_2} + 12\,\mathrm{OH^-} \rightarrow 2\,\mathrm{BrO_3^-} + 6\,\mathrm{H_2O} + 10\,e^-$

Se igualan los electrones multiplicando la primera por 5:

$5\,\mathrm{Br_2} + 10\,e^- \rightarrow 10\,\mathrm{Br^-}$

Sumando y simplificando por 2:

$3\,\mathrm{Br_2} + 6\,\mathrm{OH^-} \rightarrow 5\,\mathrm{Br^-} + \mathrm{BrO_3^-} + 3\,\mathrm{H_2O}$

Devolviendo el potasio, la ecuación molecular queda:

$3\,\mathrm{Br_2} + 6\,\mathrm{KOH} \rightarrow 5\,\mathrm{KBr} + \mathrm{KBrO_3} + 3\,\mathrm{H_2O}$

Comprobación átomo a átomo: Br, 6 = 6; K, 6 = 6; O, 6 = 6; H, 6 = 6.

$\textbf{b) Se dispone de una pila Daniell con electrodos de Zn y Cu. Explique su funcionamiento hablando de cátodo, ánodo, potencial estándar de reducción y puente salino. (Hasta 1,0 puntos)}$

La pila consta de dos semiceldas: una lámina de cinc sumergida en una disolución de $\mathrm{Zn^{2+}}$ y una lámina de cobre en una disolución de $\mathrm{Cu^{2+}}$, unidas por un hilo conductor externo y por un puente salino.

Quién actúa de cátodo y quién de ánodo lo decide el $\textbf{potencial estándar de reducción}$: se reduce el par de potencial mayor y se oxida el de potencial menor.

$\textbf{Ánodo}$ (polo negativo), el cinc, que tiene el potencial más bajo y por tanto se oxida:

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

$\textbf{Cátodo}$ (polo positivo), el cobre, donde los iones se reducen y el metal se deposita:

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

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

$E^{o}_{\text{pila}} = E^{o}_{\text{cátodo}} - E^{o}_{\text{ánodo}} = 0{,}15 - (-0{,}76) = 0{,}91\ \mathrm{V}$

Se ha usado el valor del enunciado para el cobre; con el habitualmente tabulado, $+0{,}34$ V, la fem saldría 1,10 V, que es el valor clásico de la pila Daniell.

El $\textbf{puente salino}$ es imprescindible: al disolverse el cinc, su semicelda acumularía carga positiva, y la del cobre, negativa, y la pila se detendría de inmediato. El puente aporta iones que migran hacia cada compartimento y mantienen la neutralidad eléctrica, cerrando el circuito sin que las dos disoluciones se mezclen.

Por convenio, la pila se representa con el ánodo a la izquierda:

$\mathrm{Zn(s)}\ |\ \mathrm{Zn^{2+}(ac)}\ \|\ \mathrm{Cu^{2+}(ac)}\ |\ \mathrm{Cu(s)}$