Ejercicio resuelto de Números de oxidación · Química · 2023

PREGUNTA 8.
Se construye en el laboratorio la siguiente pila galvánica: $|\mathrm{Pb(s)}|\mathrm{Pb^{2+}(ac,\ 1\ M)}\|\mathrm{Cu^{+2}(ac,\ 1\ M)}|\mathrm{Cu(s)}|$.

8.1. Escriba las semirreacciones de oxidación, de reducción y la reacción global. Calcule la fuerza electromotriz de la pila.
8.2. Dibuje un esquema de la pila, representando las semiceldas que actúan como ánodo y como cátodo, detallando material y reactivos, así como el sentido del flujo de los electrones durante el funcionamiento de la pila.

Datos: $E^\circ(\mathrm{Cu^{2+}/Cu}) = +0{,}34\ \mathrm{V}$ y $E^\circ(\mathrm{Pb^{2+}/Pb}) = -0{,}12\ \mathrm{V}$.

$\textbf{8.1. Escriba las semirreacciones de oxidación, de reducción y la reacción global. Calcule la fuerza electromotriz de la pila. (1 punto)}$

La notación de la pila ya indica cómo están dispuestas las semiceldas: por convenio, el $\textbf{ánodo se escribe a la izquierda}$ y el cátodo a la derecha, separados por la doble barra que representa el puente salino.

$\mathrm{Pb(s)}\,|\,\mathrm{Pb^{2+}(ac,\ 1\ M)}\ \|\ \mathrm{Cu^{2+}(ac,\ 1\ M)}\,|\,\mathrm{Cu(s)}$

Esa asignación es coherente con los potenciales, ya que el cátodo debe ser el par de mayor potencial de reducción:

$E^0(\mathrm{Cu^{2+}/Cu}) = +0{,}34\ \mathrm{V} \ > \ E^0(\mathrm{Pb^{2+}/Pb}) = -0{,}12\ \mathrm{V}$

$\textbf{Semirreacción de oxidación}$, en el ánodo (polo negativo), donde se consume la lámina de plomo:

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

$\textbf{Semirreacción de reducción}$, en el cátodo (polo positivo), donde se deposita cobre:

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

$\textbf{Reacción global}$, sumando ambas, que intercambian los mismos 2 electrones:

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

$E^0_{\text{pila}} = E^0_{\text{cátodo}} - E^0_{\text{ánodo}} = (+0{,}34) - (-0{,}12)$

$E^0_{\text{pila}} = +0{,}46\ \mathrm{V}$

Al ser positiva, la energía de Gibbs $\Delta G^0 = -n F E^0$ resulta negativa y el proceso es espontáneo, como debe ser en una pila galvánica.

$\textbf{8.2. Dibuje un esquema de la pila, representando las semiceldas que actúan como ánodo y como cátodo, detallando material y reactivos, así como el sentido del flujo de los electrones durante el funcionamiento de la pila. (1 punto)}$

$\textbf{Material y reactivos}$: dos vasos de precipitados, una lámina de plomo y otra de cobre, disolución de nitrato de plomo(II) 1 M, disolución de sulfato de cobre(II) 1 M, un tubo en U relleno de disolución de KCl con algodón en los extremos, cable conductor con pinzas de cocodrilo y un voltímetro.

$\textbf{Descripción del montaje}$:

i) $\textbf{Semicelda del ánodo}$, a la izquierda: un vaso de precipitados con la disolución 1 M de $\mathrm{Pb^{2+}}$ y, sumergida en ella, la lámina de plomo. 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) $\textbf{Semicelda del cátodo}$, a la derecha: otro vaso con la disolución 1 M de $\mathrm{Cu^{2+}}$, de color azul, y la lámina de cobre.

iii) $\textbf{Puente salino}$: el tubo en U con KCl, con un extremo en cada vaso. Cierra el circuito y mantiene la electroneutralidad de las dos disoluciones sin que lleguen a mezclarse.

iv) $\textbf{Circuito exterior}$: las dos láminas unidas por el cable conductor con las pinzas de cocodrilo, intercalando el voltímetro, que debe marcar unos 0,46 V.

$\textbf{Sentido del flujo de los electrones}$: por el circuito exterior van $\textbf{de la lámina de plomo a la de cobre}$, es decir, del ánodo al cátodo, o lo que es lo mismo, del polo negativo al positivo.

$\textbf{Movimiento de los iones}$: dentro de la disolución la corriente la transportan los iones del puente salino. Los aniones $\mathrm{Cl^-}$ migran hacia el vaso del ánodo, donde se genera $\mathrm{Pb^{2+}}$ y se acumularía carga positiva; los cationes $\mathrm{K^+}$ migran hacia el vaso del cátodo, donde el consumo de $\mathrm{Cu^{2+}}$ dejaría un exceso de carga negativa.

$\textbf{Observaciones}$: al cabo de un tiempo la lámina de plomo pierde masa, sobre la de cobre crece un depósito rojizo y el color azul de la disolución de cobre se atenúa.