Ejercicio resuelto de Números de oxidación · Química · 2020

PREGUNTA 8.

8.1. Explique cómo construiría en el laboratorio una pila empleando un electrodo de cinc y un electrodo de níquel, indicando el material y los reactivos necesarios.
8.2. Indique las semirreacciones que tienen lugar en cada electrodo, la reacción iónica global y calcule la fuerza electromotriz de la pila.

Datos: $E^\circ(\mathrm{Ni^{2+}/Ni}) = -0{,}25\ \mathrm{V}$; $E^\circ(\mathrm{Zn^{2+}/Zn}) = -0{,}76\ \mathrm{V}$.

$\textbf{8.1. Explique cómo construiría en el laboratorio una pila empleando un electrodo de cinc y un electrodo de níquel, indicando el material y los reactivos necesarios. (1 punto)}$

$\textbf{Material}$: dos vasos de precipitados, un tubo de vidrio en forma de U, algodón para taponar sus extremos, cable conductor con pinzas de cocodrilo y un voltímetro.

$\textbf{Reactivos}$: una lámina de cinc y otra de níquel, disolución de sulfato de cinc 1 M, disolución de sulfato de níquel(II) 1 M y disolución de KCl —o de $\mathrm{KNO_3}$— para el puente salino.

$\textbf{Montaje}$:

i) En el vaso de la izquierda se pone la disolución de $\mathrm{Zn^{2+}}$ y se sumerge en ella la lámina de cinc. Esa semicelda será el $\textbf{ánodo}$, porque el cinc es el par de menor potencial de reducción. Cada disolución debe contener el catión del metal que se sumerge en ella, para que el electrodo esté en equilibrio con su propio ion.

ii) En el vaso de la derecha se pone la disolución de sulfato de níquel(II), de color verdoso, y se sumerge la lámina de níquel. Esa semicelda será el $\textbf{cátodo}$.

iii) El tubo en U, relleno de disolución de KCl y tapado en los extremos con algodón, se coloca con un extremo sumergido en cada vaso: es el $\textbf{puente salino}$. Cierra el circuito y mantiene la electroneutralidad de las dos disoluciones sin que lleguen a mezclarse. Los aniones $\mathrm{Cl^-}$ migran hacia el vaso del ánodo, donde se genera $\mathrm{Zn^{2+}}$ y se acumularía carga positiva; los cationes $\mathrm{K^+}$ migran hacia el del cátodo, donde el consumo de $\mathrm{Ni^{2+}}$ dejaría un exceso de carga negativa. Sin él, la pila dejaría de funcionar de inmediato.

iv) Por fuera, las dos láminas se unen con el cable conductor y las pinzas de cocodrilo, intercalando el voltímetro para medir la fuerza electromotriz.

$\textbf{Observaciones}$: con el tiempo la lámina de cinc pierde masa, sobre la de níquel crece un depósito metálico y el color de la disolución de níquel se va atenuando. Los electrones circulan por el cable del cinc al níquel, es decir, del ánodo al cátodo.

$\textbf{8.2. Indique las semirreacciones que tienen lugar en cada electrodo, la reacción iónica global y calcule la fuerza electromotriz de la pila. (1 punto)}$

El criterio para asignar los electrodos es que el par de $\textbf{mayor}$ potencial de reducción actúa como cátodo y el de $\textbf{menor}$, como ánodo:

$E^0(\mathrm{Ni^{2+}/Ni}) = -0{,}25\ \mathrm{V} \ > \ E^0(\mathrm{Zn^{2+}/Zn}) = -0{,}76\ \mathrm{V}$

Los dos potenciales son negativos, pero eso no importa: lo que decide es cuál de los dos es mayor.

$\textbf{Ánodo}$ (polo negativo), donde ocurre la oxidación:

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

$\textbf{Cátodo}$ (polo positivo), donde ocurre la reducción:

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

Las dos semirreacciones intercambian los mismos 2 electrones, así que se suman directamente.

$\textbf{Reacción iónica global}$:

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

$E^0_{\text{pila}} = E^0_{\text{cátodo}} - E^0_{\text{ánodo}} = (-0{,}25) - (-0{,}76)$

$E^0_{\text{pila}} = +0{,}51\ \mathrm{V}$

Al ser positiva, la energía de Gibbs $\Delta G^0 = -n F E^0$ resulta negativa y el proceso es espontáneo, como corresponde a una pila galvánica. La notación abreviada de esta pila es:

$\mathrm{Zn(s)}\,|\,\mathrm{Zn^{2+}(1\ M)}\ \|\ \mathrm{Ni^{2+}(1\ M)}\,|\,\mathrm{Ni(s)}$