Ejercicio resuelto de Pilas galvánicas · Química · 2022

Cuestión 3. Química red-ox.

Se dispone en el laboratorio de láminas de plata, cobre y cinc, así como de disoluciones acuosas, de concentración 1 M, de las sales ${\mathrm{A}\mathrm{g}\mathrm{N}\mathrm{O}}_3$, ${\mathrm{C}\mathrm{u}(\mathrm{N}\mathrm{O}}_3{)}_2$ y ${\mathrm{Z}\mathrm{n}(\mathrm{N}\mathrm{O}}_3{)}_2$. Conteste razonadamente a las siguientes cuestiones:

a) ¿Cuál de los tres metales es un reductor más fuerte? (0,6 puntos)
b) Construimos una pila con un electrodo formado por una lámina de $\mathrm{A}\mathrm{g}$ metálica sumergida en la disolución de ${\mathrm{A}\mathrm{g}\mathrm{N}\mathrm{O}}_3$ y otro formado por una lámina de $\mathrm{Z}\mathrm{n}$ sumergida en la disolución de ${\mathrm{Z}\mathrm{n}(\mathrm{N}\mathrm{O}}_3{)}_2$. ¿Cuál de los electrodos funciona como ánodo y cuál como cátodo de la pila? ¿Cuál es el potencial estándar de la pila formada? (0,8 puntos)
c) Considerando la pila del apartado anterior, discuta si la lámina de cinc que actúa como electrodo aumenta o disminuye su masa a medida que avanza la reacción. (0,6 puntos)

Datos: Potenciales de reducción estándar, $E^o$ (V):
${\mathrm{A}\mathrm{g}}^{+}\mathrm{\mid }\mathrm{A}\mathrm{g}=+\mathrm{0,80}$;
${\mathrm{C}\mathrm{u}}^{2+}\mathrm{\mid }\mathrm{C}\mathrm{u}=+\mathrm{0,34}$;
${\mathrm{Z}\mathrm{n}}^{2+}\mathrm{\mid }\mathrm{Z}\mathrm{n}=-\mathrm{0,76}$.

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{¿Cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{tres}}\mathbf{\text{metales}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{reductor}}\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{s}}\mathbf{\text{fuerte?}}\mathbf{\text{(0,6}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Un reductor cede electrones, así que el mejor reductor es el metal que $\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{s}}\mathbf{\text{f}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{cilmente}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{oxida}}$, es decir, aquel cuyo par tiene el potencial de reducción $\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{s}}\mathbf{\text{bajo}}$.

$E^0(\mathrm{A}{\mathrm{g}}^{+}\mathrm{/}\mathrm{A}\mathrm{g})=+\mathrm{0,80}\text{ V}{E}^0(\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}\mathrm{/}\mathrm{C}\mathrm{u})=+\mathrm{0,34}\text{ V}{E}^0(\mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+}\mathrm{/}\mathrm{Z}\mathrm{n})=-\mathrm{0,76}\text{ V}$

El más negativo es el del cinc, así que el $\mathbf{\text{cinc}}$ es el reductor más fuerte de los tres. La plata, con el potencial más alto, sería el peor: es un metal noble, muy reacio a oxidarse.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{¿Cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{electrodos}}\mathbf{\text{funciona}}\mathbf{\text{como}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{nodo}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{como}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{todo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{pila?}}\mathbf{\text{¿Cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{potencial}}\mathbf{\text{est}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{ndar}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{pila}}\mathbf{\text{formada?}}\mathbf{\text{(0,8}}\mathbf{\text{puntos)}}$

En una pila galvánica se oxida el par de menor potencial y se reduce el de mayor.

$\acute{\mathbf{\text{A}}}\mathbf{\text{nodo}}$ (oxidación), el electrodo de cinc:

$\mathrm{Z}\mathrm{n}(\mathrm{s})\to \mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+}(\mathrm{a}\mathrm{c})+2e^{-}$

$\mathbf{\text{C}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{todo}}$ (reducción), el electrodo de plata:

$\mathrm{A}{\mathrm{g}}^{+}(\mathrm{a}\mathrm{c})+e^{-}\to \mathrm{A}\mathrm{g}(\mathrm{s})$

$E_{\text{pila}}^0=E_{\text{c}\acute{\text{a}}\text{todo}}^0-E_{\acute{\text{a}}\text{nodo}}^0=\mathrm{0,80}-(-\mathrm{0,76})=+\mathrm{1,56}\text{ V}$

Al salir positivo se confirma que el proceso es espontáneo, como corresponde a una pila.

Conviene recordar que, aunque para ajustar la reacción global haya que multiplicar la semirreacción de la plata por 2, el potencial $\mathbf{\text{no}}$ se multiplica: es una propiedad intensiva.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Discuta}}\mathbf{\text{si}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{l}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{mina}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{cinc}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{act}}\acute{\mathbf{\text{u}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{como}}\mathbf{\text{electrodo}}\mathbf{\text{aumenta}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{disminuye}}\mathbf{\text{su}}\mathbf{\text{masa}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{medida}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{avanza}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{reacci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n.}}\mathbf{\text{(0,6}}\mathbf{\text{puntos)}}$

El cinc es el ánodo, y en el ánodo ocurre la oxidación:

$\mathrm{Z}\mathrm{n}(\mathrm{s})\to \mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+}(\mathrm{a}\mathrm{c})+2e^{-}$

Los átomos de cinc metálico de la lámina van cediendo electrones y pasando a la disolución como iones $\mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+}$. Es decir, materia que estaba en el electrodo se marcha al medio.

Por tanto la lámina de cinc $\mathbf{\text{disminuye}}\mathbf{\text{su}}\mathbf{\text{masa}}$: se va disolviendo. Lo contrario ocurre en el cátodo, donde la plata se deposita y el electrodo engorda.