Ejercicio resuelto de Varios · Química · La Rioja · 2023

En un laboratorio se disponen de dos electrodos metálicos de aluminio y hierro, así como de dos disoluciones 1 M de $\text{FeCl}_2$ y $\text{AlCl}_3$.

a) Dibuje el esquema de una pila que se podría construir a partir de dichos electrodos y disoluciones. Incluya los elementos necesarios (cables, voltímetro, puente iónico) e indique la dirección del flujo de electrones. (0,75 puntos)

b) Ajuste la reacción según el método ion-electrón y calcule la fuerza electromotriz o potencial estándar de la pila. (0,75 puntos)

c) ¿Qué es la electrólisis? (0,5 puntos)

Datos: potenciales estándar de reducción $E^{o}(\text{Al}^{3+}/\text{Al}) = -1{,}66\ \text{V}$; $E^{o}(\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}) = -0{,}44\ \text{V}$.

$\textbf{a) Dibuje el esquema de una pila que se podría construir a partir de dichos electrodos y disoluciones. Incluya los elementos necesarios (cables, voltímetro, puente iónico) e indique la dirección del flujo de electrones. (0,75 puntos)}$

Lo primero es decidir qué electrodo hace de ánodo. En una pila espontánea se reduce el par de mayor potencial y se oxida el de menor, y aquí el aluminio ($-1{,}66$ V) está por debajo del hierro ($-0{,}44$ V), así que el aluminio es el que se oxida.

El esquema consta de dos vasos, cada uno con su electrodo sumergido en la disolución 1 M de su propia sal, unidos por un puente salino y por un hilo conductor con un voltímetro intercalado:

Elemento	Semicelda izquierda	Semicelda derecha
Electrodo	lámina de $\mathrm{Al(s)}$	lámina de $\mathrm{Fe(s)}$
Disolución	$\mathrm{AlCl_3}$ 1 M	$\mathrm{FeCl_2}$ 1 M
Papel	ánodo	cátodo
Proceso	oxidación	reducción
Polaridad	polo negativo	polo positivo
La masa del electrodo	disminuye	aumenta

Los $\textbf{electrones}$ circulan por el hilo exterior desde el ánodo de aluminio hacia el cátodo de hierro, es decir, del polo negativo al positivo. La corriente convencional, por definición, va en sentido contrario.

El $\textbf{puente salino}$, un tubo en U relleno de una disolución de un electrolito inerte como el $\mathrm{KNO_3}$, cierra el circuito y mantiene la neutralidad eléctrica: sus aniones migran hacia el vaso del aluminio, donde se está acumulando carga positiva, y sus cationes hacia el del hierro, donde se está retirando.

En notación abreviada, la pila se escribe así:

$\mathrm{Al(s)}\,|\,\mathrm{Al^{3+}(ac,\ 1\,M)}\,||\,\mathrm{Fe^{2+}(ac,\ 1\,M)}\,|\,\mathrm{Fe(s)}$

$\textbf{b) Ajuste la reacción según el método ion-electrón y calcule la fuerza electromotriz o potencial estándar de la pila. (0,75 puntos)}$

Oxidación, en el ánodo:

$\mathrm{Al(s)} \rightarrow \mathrm{Al^{3+}(ac)} + 3\,e^-$

Reducción, en el cátodo:

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

Para sumarlas hay que igualar los electrones intercambiados. El mínimo común múltiplo de 3 y 2 es 6, así que la primera se multiplica por 2 y la segunda por 3:

$2\,\mathrm{Al(s)} \rightarrow 2\,\mathrm{Al^{3+}(ac)} + 6\,e^-$

$3\,\mathrm{Fe^{2+}(ac)} + 6\,e^- \rightarrow 3\,\mathrm{Fe(s)}$

$2\,\mathrm{Al(s)} + 3\,\mathrm{Fe^{2+}(ac)} \rightarrow 2\,\mathrm{Al^{3+}(ac)} + 3\,\mathrm{Fe(s)}$

Comprobación de la carga: $+6$ a cada lado.

$E^0_{\text{pila}} = E^0(\text{cátodo}) - E^0(\text{ánodo}) = -0{,}44 - (-1{,}66)$

$E^0_{\text{pila}} = +1{,}22 \text{ V}$

Positivo, luego el proceso es espontáneo. Recuérdese que los potenciales $\textbf{no}$ se multiplican por los coeficientes del ajuste: son propiedades intensivas.

$\textbf{c) ¿Qué es la electrólisis? (0,5 puntos)}$

Es el proceso inverso al de una pila: una reacción redox $\textbf{no espontánea}$ que se fuerza a ocurrir aportando energía eléctrica desde una fuente exterior.

En una pila galvánica, $E^0 > 0$ y $\Delta G < 0$, y la reacción química genera corriente. En una celda electrolítica, $E^0 < 0$ y $\Delta G > 0$, y es la corriente la que genera la reacción; el generador tiene que suministrar al menos ese potencial en sentido contrario.

Se conservan los nombres de los electrodos según el proceso —en el ánodo siempre hay oxidación y en el cátodo siempre reducción— pero la $\textbf{polaridad se invierte}$: en la electrólisis el ánodo es el polo positivo y el cátodo el negativo, porque los conecta la fuente.

Sus aplicaciones son enormes: la obtención de aluminio a partir de la bauxita —imposible por vía química, precisamente porque el aluminio es tan reductor como muestra el apartado b)—, la del sodio y el cloro a partir de la sal fundida, el refinado del cobre y los recubrimientos electrolíticos como el cromado o el galvanizado.