QuímicaFácil2 pts

Pilas galvánicas y potenciales

Cataluña · 2017 · Junio

Enunciado

Las reacciones redox se utilizan en muchos procesos de la química: para generar energía eléctrica (pila), para provocar reacciones químicas que no son espontáneas (electrólisis) o para obtener sustancias de gran interés.

a) (1 punto) Un grupo de estudiantes quiere montar una pila en el laboratorio, en condiciones estándares y a 25 °C. La pila tiene la siguiente notación:

\text{Ag}(\text{s})\,|\,\text{Ag}^+(\text{ac},\ 1\ \text{M})\,||\,\text{Zn}^{2+}(\text{ac},\ 1\ \text{M})\,|\,\text{Zn}(\text{s})

Explique el procedimiento experimental que deberán seguir para construir esta pila y medir su fuerza electromotriz, e indique el material y los reactivos que necesitarán.

b) (1 punto) En otro experimento, los estudiantes disponen de dos vasos de precipitados, cada uno de los cuales contiene una disolución 1,0 M de nitrato de cobre(II), a 25 °C. En el primero, introducen una lámina de zinc, y en el segundo, un hilo de plata. Justifique si habrá o no reacción en cada uno de los vasos; en caso afirmativo, escriba la reacción igualada.

Datos: Potencial estándar de reducción a 25 °C:

E^\circ(\text{Ag}^+/\text{Ag}) = +0{,}80\ \text{V}

;

E^\circ(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) = +0{,}34\ \text{V}

;

E^\circ(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}) = -0{,}76\ \text{V}

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Resultado

a) Dos vasos de precipitados con disoluciones 1 M de Ag⁺ y de Zn²⁺, una lámina de Ag y otra de Zn como electrodos, unidas con un hilo conductor a un potenciómetro (o voltímetro), y un puente salino con un electrolito inerte que cierra el circuito.

b) Vaso 1 (Zn):

E^\circ = +1{,}10\ \text{V} > 0

, hay reacción:

\text{Zn}(\text{s}) + \text{Cu}^{2+}(\text{ac}) \rightarrow \text{Zn}^{2+}(\text{ac}) + \text{Cu}(\text{s})

. Vaso 2 (Ag):

E^\circ = -0{,}46\ \text{V} < 0

, no hay reacción.

Ver la solución oficialla corrección de la PAU, con los puntos de cada paso

Solución oficial

Corrección oficial de la PAU de Cataluña (Generalitat de Catalunya), traducida del catalán. Las puntuaciones de cada paso son las de la pauta de corrección.

a) Procedimiento experimental para construir la pila; material y reactivos:

0,2 p. Necesitamos dos vasos de precipitados: uno que contenga una disolución de Ag⁺ 1 M y otro que contenga una disolución de Zn²⁺ 1 M.
0,2 p. Colocamos en ellos, respectivamente, una lámina (o hilo) de Ag y una lámina de Zn parcialmente sumergidas (electrodos).
0,3 p. Se conectan las láminas mediante un hilo conductor a un potenciómetro (o voltímetro).
0,3 p. El circuito se cierra colocando un puente salino: tubo que conecta los dos vasos y que contiene una disolución de un electrolito inerte (o una disolución de una sal soluble).

El dibujo siguiente es opcional.

Montaje de la pila: un vaso con Ag⁺ 1 M y una lámina de plata y otro con Zn²⁺ 1 M y una lámina de cinc; las dos láminas están unidas por un hilo conductor a un potenciómetro, y un tubo en U con electrolito une los dos vasos

En el dibujo: potenciòmetre = potenciómetro; electròlit = electrolito; fil conductor = hilo conductor.

El cálculo de la fuerza electromotriz de la pila no se pide en este ejercicio y, por tanto, no es necesario para obtener la máxima puntuación de la pregunta 2a.

b)

Formulación. Nitrato de cobre(II):

\text{Cu}(\text{NO}_3)_2

[penalización: −0,5 puntos]

Las posibles reacciones (no igualadas) en los vasos serían:

Vaso 1:

\text{Zn}(\text{s}) + \text{Cu}^{2+}(\text{ac}) \rightarrow \text{Zn}^{2+}(\text{ac}) + \text{Cu}(\text{s})

\text{Zn}(\text{s}) + \text{Cu}(\text{NO}_3)_2(\text{ac}) \rightarrow \text{Zn}(\text{NO}_3)_2(\text{ac}) + \text{Cu}(\text{s})

Vaso 2:

\text{Ag}(\text{s}) + \text{Cu}^{2+}(\text{ac}) \rightarrow \text{Ag}^+(\text{ac}) + \text{Cu}(\text{s})

\text{Ag}(\text{s}) + \text{Cu}(\text{NO}_3)_2(\text{ac}) \rightarrow \text{AgNO}_3(\text{ac}) + \text{Cu}(\text{s})

Justificar si habrá reacción. Hay que razonar si las reacciones son espontáneas.

Razonamiento 1:

Para saber si la reacción redox es espontánea hay que calcular la fuerza electromotriz de la pila en la que tuviera lugar esta reacción en condiciones estándar (

E^\circ

). Tenemos:

0,4 p.

E^\circ > 0\ \Rightarrow

reacción redox espontánea (opcional: reacción espontánea

\Rightarrow \Delta G = -nFE^\circ < 0

)

Calculamos el valor de

E^\circ

.

El cátodo es siempre el

\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}

(reducción) y el ánodo es el

\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}

(vaso 1) o el

\text{Ag}^+/\text{Ag}

(vaso 2) (oxidación).

Vaso 1:

E^\circ = E^\circ_{\text{CÁTODO}} - E^\circ_{\text{ÁNODO}} = E^\circ(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) - E^\circ(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn})

E^\circ = (+0{,}34) - (-0{,}76) = +1{,}10\ \text{V} > 0

0,2 p.

E^\circ > 0\ \Rightarrow

Reacción espontánea. Habrá reacción.

Vaso 2:

E^\circ = E^\circ_{\text{CÁTODO}} - E^\circ_{\text{ÁNODO}} = E^\circ(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) - E^\circ(\text{Ag}^+/\text{Ag})

E^\circ = (+0{,}34) - (+0{,}80) = -0{,}46\ \text{V} < 0

0,2 p.

E^\circ < 0\ \Rightarrow

Reacción no espontánea. No habrá reacción.

Razonamiento 2:

0,4 p. También se puede razonar indicando que el potencial de reducción del par que se reduce (