QuímicaMedio2 pts

Pilas galvánicas y potenciales

Comunidad de Madrid · 2018 · Junio (coincidentes) · Opción A

Enunciado

Se desea construir una celda galvánica para transformar

\text{NO}_3^-

en NO, y se dispone de tres electrodos:

\text{Al}^{3+}/\text{Al}

\text{Cl}_2/\text{Cl}^-

\text{Au}^{3+}/\text{Au}

.

a) (0,75 puntos) A partir de los potenciales de reducción estándar que se adjuntan justifique cuál de los electrodos se puede utilizar, indicando cuál es el agente oxidante y el agente reductor.

b) (0,5 puntos) Calcule el potencial estándar de la celda galvánica.

c) (0,75 puntos) Escriba el proceso iónico global ajustando la reacción en medio ácido por el método ion electrón. Indique los electrodos que actúan como cátodo y como ánodo.

Datos:

E^0

(V):

\text{NO}_3^-/\text{NO} = 0{,}96

;

\text{Cl}_2/\text{Cl}^- = 1{,}33

;

\text{Al}^{3+}/\text{Al} = -1{,}66

;

\text{Au}^{3+}/\text{Au} = 1{,}50

Comprobar el resultadocompara con lo que te ha salido

Resultado

a) El de $\text{Al}^{3+}/\text{Al}$ (único con $E^0 < 0{,}96$ V). Oxidante: $\text{NO}_3^-$ ; reductor: Al.
b) $E^0 = 2{,}62$ V.
c) $\text{Al} + \text{NO}_3^- + 4\,\text{H}^+ \to \text{Al}^{3+} + \text{NO} + 2\,\text{H}_2\text{O}$ ; cátodo: $\text{NO}_3^-/\text{NO}$ ; ánodo: $\text{Al}^{3+}/\text{Al}$ .

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Transformar

\text{NO}_3^-

en NO es una reducción (el N pasa de

+5

+2

). En una pila, se reduce el par de mayor potencial de reducción (cátodo) y se oxida el de menor (ánodo), y la reacción es espontánea si

E^0_{\text{pila}} = E^0_{\text{cátodo}} - E^0_{\text{ánodo}} > 0

.

Así que el electrodo que buscamos tiene que tener un potencial menor que 0,96 V: su forma reducida es la que cederá los electrones al nitrato.

Desarrollo

a) Electrodo que se puede usar.

Para que el

\text{NO}_3^-

se reduzca, el otro electrodo debe oxidarse y tener un potencial de reducción menor que el del par

\text{NO}_3^-/\text{NO}

(0,96 V):

$\text{Al}^{3+}/\text{Al}$ : $-1{,}66\ \text{V} < 0{,}96\ \text{V}$ . El Al se oxidaría y el nitrato se reduciría: $E^0 > 0$ . Sirve.
$\text{Cl}_2/\text{Cl}^-$ : $1{,}33\ \text{V} > 0{,}96\ \text{V}$ . El $\text{Cl}_2$ es mejor oxidante que el nitrato; con él sería el NO el que se oxidaría a $\text{NO}_3^-$ . No sirve.
$\text{Au}^{3+}/\text{Au}$ : $1{,}50\ \text{V} > 0{,}96\ \text{V}$ . Igual que el anterior: no sirve (el ácido nítrico no oxida al oro).

Se usa el electrodo de aluminio. El agente oxidante es el ion nitrato,

\text{NO}_3^-

(se reduce a NO), y el agente reductor, el aluminio metálico, Al (se oxida a

\text{Al}^{3+}

).

b) Potencial estándar de la celda.

E^0_{\text{pila}} = E^0_{\text{cátodo}} - E^0_{\text{ánodo}} = E^0(\text{NO}_3^-/\text{NO}) - E^0(\text{Al}^{3+}/\text{Al}) = 0{,}96 - (-1{,}66) = 2{,}62\ \text{V}

c) Ecuación iónica ajustada y electrodos.

Reducción (el N pasa de

+5

+2

, gana 3 electrones; los dos O que sobran salen como agua con 4

\text{H}^+

\text{NO}_3^- + 4\,\text{H}^+ + 3\,e^- \longrightarrow \text{NO} + 2\,\text{H}_2\text{O}

Oxidación:

\text{Al} \longrightarrow \text{Al}^{3+} + 3\,e^-

Las dos intercambian 3 electrones, así que se suman directamente:

\text{Al} + \text{NO}_3^- + 4\,\text{H}^+ \longrightarrow \text{Al}^{3+} + \text{NO} + 2\,\text{H}_2\text{O}

Comprobación: cargas

-1 + 4 = +3

a la izquierda y

+3

a la derecha; O, 3 y

1 + 2 = 3

; H, 4 y 4.

Cátodo (polo +, reducción): el electrodo $\text{NO}_3^-/\text{NO}$ (un electrodo inerte, por ejemplo de platino, sumergido en la disolución ácida de nitrato).
Ánodo (polo −, oxidación): el electrodo $\text{Al}^{3+}/\text{Al}$ .

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

Consejo

Regla para no equivocarte: en una pila el cátodo es el de mayor potencial de reducción y el ánodo, el de menor («el de abajo en la tabla se oxida»). Aquí el nitrato tiene que ser el cátodo, así que su compañero debe estar por debajo de él.

Al calcular $E^0_{\text{pila}}$ no multipliques los potenciales por los coeficientes de la ecuación ajustada: el potencial es una propiedad intensiva.