QuímicaMedioCuestión · 1,5 pts

Pilas galvánicas y potenciales

Andalucía · 2018 · Junio · Opción A

Enunciado

Opción A · Cuestión 3. Los electrodos de aluminio y cobre de una pila galvánica se encuentran en contacto con una disolución de

\text{Al}^{3+}

\text{Cu}^{2+}

en una concentración

1\ \text{M}

.

a) Escriba e identifique las semirreacciones que se producen en el ánodo y en el cátodo.

b) Calcule la f.e.m. de la pila y escriba su notación simplificada.

c) Razone si alguno de los dos metales produciría

\text{H}_2(g)

al ponerlo en contacto con ácido sulfúrico (

\text{H}_2\text{SO}_4

).

Datos:

E^\circ(\text{Al}^{3+}/\text{Al}) = -1{,}67\ \text{V}

;

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

;

E^\circ(\text{H}^+/\text{H}_2) = 0{,}00\ \text{V}

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Resultado

\boxed{\;\textbf{a) Ánodo: } \text{Al} \to \text{Al}^{3+} + 3e^-; \quad \text{Cátodo: } \text{Cu}^{2+} + 2e^- \to \text{Cu}\;}

\boxed{\;\textbf{b) } E^\circ = 2{,}01\ \text{V}; \quad \text{Al}\,|\,\text{Al}^{3+}\,\|\,\text{Cu}^{2+}\,|\,\text{Cu}\;}

\boxed{\;\textbf{c) Solo el aluminio } (+1{,}67\ \text{V}); \text{ el cobre no } (-0{,}34\ \text{V})\;}

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Una sola regla resuelve los tres apartados: el par con mayor $E^\circ$ se reduce (cátodo) y el de menor $E^\circ$ se oxida (ánodo).

E^\circ_{\text{pila}} = E^\circ_{\text{cátodo}} - E^\circ_{\text{ánodo}} \qquad\qquad E^\circ > 0 \;\Longleftrightarrow\; \text{espontáneo}

Un detalle de esta pila: los electrones intercambiados son 3 y 2, así que la reacción global exige multiplicar por 2 y por 3. Eso no afecta al valor de

E^\circ

, que es una magnitud intensiva.

Y para c), se plantea la reacción del metal con los

\text{H}^+

del ácido y se mira el signo del potencial.

Desarrollo

a) Semirreacciones.

Comparando potenciales:

+0{,}34 > -1{,}67

, luego el cobre se reduce y el aluminio se oxida.

\textbf{Ánodo } (\text{oxidación}, \text{ polo } -): \quad \text{Al}(s) \longrightarrow \text{Al}^{3+}(ac) + 3\,e^-

\textbf{Cátodo } (\text{reducción}, \text{ polo } +): \quad \text{Cu}^{2+}(ac) + 2\,e^- \longrightarrow \text{Cu}(s)

Para la reacción global, se igualan los electrones multiplicando por 2 y por 3:

2\,\text{Al}(s) + 3\,\text{Cu}^{2+}(ac) \longrightarrow 2\,\text{Al}^{3+}(ac) + 3\,\text{Cu}(s)

El electrodo de aluminio se corroe y sobre el de cobre se deposita metal.

b) F.e.m. y notación de la pila.

E^\circ_{\text{pila}} = E^\circ_{\text{cátodo}} - E^\circ_{\text{ánodo}} = 0{,}34 - (-1{,}67) = \mathbf{2{,}01\ V}

\text{Al}(s) \,|\, \text{Al}^{3+}(1\ \text{M}) \,\|\, \text{Cu}^{2+}(1\ \text{M}) \,|\, \text{Cu}(s)

El valor positivo confirma que la asignación de electrodos es correcta y que la pila funciona espontáneamente. Es una f.e.m. notablemente alta, consecuencia de lo negativo que es el potencial del aluminio.

Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)

c) Solo el aluminio produce hidrógeno.

Con aluminio:

2\,\text{Al}(s) + 6\,\text{H}^+ \longrightarrow 2\,\text{Al}^{3+} + 3\,\text{H}_2(g)

E^\circ = E^\circ(\text{H}^+/\text{H}_2) - E^\circ(\text{Al}^{3+}/\text{Al}) = 0{,}00 - (-1{,}67) = +1{,}67\ \text{V} > 0

Es espontánea: el aluminio se disuelve en el ácido desprendiendo hidrógeno.

Con cobre:

\text{Cu}(s) + 2\,\text{H}^+ \longrightarrow \text{Cu}^{2+} + \text{H}_2(g) \qquad E^\circ = 0{,}00 - 0{,}34 = -0{,}34\ \text{V} < 0

No es espontánea: el cobre no reacciona con el ácido sulfúrico diluido.

La regla general es que solo los metales con potencial de reducción negativo (los situados por encima del hidrógeno en la serie electroquímica) desplazan al hidrógeno de los ácidos.

Consejo

No multipliques los potenciales por los coeficientes. Aunque la reacción global lleve $2\,\text{Al}$ y $3\,\text{Cu}^{2+}$ , $E^\circ$ es una propiedad intensiva: no depende de la cantidad de sustancia. Lo que sí se multiplica es el número de electrones $n$ en $\Delta G^\circ = -nFE^\circ$ .

Aplica siempre $E^\circ_{\text{pila}} = E^\circ_{\text{cátodo}} - E^\circ_{\text{ánodo}}$ con los valores tal como vienen tabulados. Cambiar el signo del ánodo y además restarlo es el error más repetido de todo el bloque.

El apartado c) tiene una lectura práctica que merece mencionarse: el aluminio, pese a ser tan reactivo, resiste bien la intemperie gracias a la capa de $\text{Al}_2\text{O}_3$ que lo pasiva; en medio ácido esa capa se disuelve y el metal reacciona.

Paso 1 de 3

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