Ejercicio resuelto de Números de oxidación · Química · 2023

PREGUNTA 7.

7.1. Justifique qué reacción tendrá lugar en una pila galvánica formada por un electrodo de cobre y otro de cadmio en condiciones estándar, indicando las reacciones que tienen lugar en el ánodo y en el cátodo. Calcule la fuerza electromotriz de la pila en estas condiciones.
7.2. Haga un esquema del montaje de la pila en el laboratorio, detallando el material y los reactivos necesarios y señalando el sentido de circulación de los electrones.

Datos: $E^\circ(\mathrm{Cu^{2+}/Cu}) = +0{,}34\ \mathrm{V}$ y $E^\circ(\mathrm{Cd^{2+}/Cd}) = -0{,}40\ \mathrm{V}$.

$\textbf{7.1. Justifique qué reacción tendrá lugar en una pila galvánica formada por un electrodo de cobre y otro de cadmio en condiciones estándar, indicando las reacciones que tienen lugar en el ánodo y en el cátodo. Calcule la fuerza electromotriz de la pila en estas condiciones. (1 punto)}$

En una pila galvánica la reacción que ocurre espontáneamente es aquella cuya fuerza electromotriz resulta positiva. El criterio para asignar los electrodos es directo: el par de $\textbf{mayor}$ potencial de reducción actúa como cátodo, y el de $\textbf{menor}$, como ánodo.

$E^0(\mathrm{Cu^{2+}/Cu}) = +0{,}34\ \mathrm{V} \ > \ E^0(\mathrm{Cd^{2+}/Cd}) = -0{,}40\ \mathrm{V}$

Por tanto, el cobre se reduce y el cadmio se oxida.

$\textbf{Ánodo}$ (polo negativo), donde ocurre la oxidación y se consume la lámina de cadmio:

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

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

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

Las dos semirreacciones intercambian dos electrones, así que se suman directamente. Reacción global:

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

$E^0_{\text{pila}} = E^0_{\text{cátodo}} - E^0_{\text{ánodo}} = (+0{,}34) - (-0{,}40)$

$E^0_{\text{pila}} = +0{,}74\ \mathrm{V}$

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

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

$\textbf{7.2. Haga un esquema del montaje de la pila en el laboratorio, detallando el material y los reactivos necesarios y señalando el sentido de circulación de los electrones. (1 punto)}$

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

$\textbf{Montaje}$:

i) En el vaso de la izquierda se pone la disolución de sulfato de cadmio(II) y se sumerge en ella la lámina de cadmio. Esa semicelda es el $\textbf{ánodo}$. Cada disolución tiene que 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 cobre(II), de color azul, y se sumerge la lámina de cobre. Esa semicelda es el $\textbf{cátodo}$.

iii) El tubo en U relleno de disolución de KCl, tapado en los extremos con algodón, se coloca con un extremo en cada vaso: es el $\textbf{puente salino}$. Cierra el circuito y mantiene la electroneutralidad de las dos disoluciones, sin que se mezclen.

iv) Las dos láminas se unen por fuera con el cable conductor y las pinzas de cocodrilo, intercalando el voltímetro para medir la fuerza electromotriz, que debe marcar en torno a 0,74 V.

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

$\textbf{Movimiento de los iones}$: dentro de las disoluciones la corriente la transportan los iones a través del puente salino. Los aniones $\mathrm{Cl^-}$ migran hacia el vaso del ánodo, donde se acumula carga positiva por el $\mathrm{Cd^{2+}}$ que se genera; los cationes $\mathrm{K^+}$ migran hacia el vaso del cátodo, donde queda carga negativa en exceso al consumirse el $\mathrm{Cu^{2+}}$. Sin el puente salino la pila dejaría de funcionar de inmediato.

$\textbf{Observaciones}$: con el tiempo la lámina de cadmio pierde masa, sobre la de cobre crece un depósito metálico y el color azul de la disolución de cobre se va atenuando.