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Problema resuelto de Química: Pilas galvánicas y potencialesSelectividad (PAU) · País Vasco 2018 · Junio · Opción B

Enunciado

En un laboratorio se dispone de los siguientes componentes: un electrodo de estaño y otro de plata, nitrato de estaño(II), nitrato de plata, cloruro de potasio, material de vidrio, un voltímetro y cables de conexión. Datos:

E^0

(V):

(\text{Sn}^{2+}/\text{Sn}) = -0{,}14

;

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

.

a) Se desea construir una pila. Dibujar un esquema que represente sus componentes. (0,5 puntos)

b) Escribir las reacciones que tienen lugar en el cátodo y en el ánodo de esa pila, indicando cuál es la especie oxidante y cuál es la especie reductora. (0,5 puntos)

c) Calcular el potencial estándar de la pila formada con estos dos electrodos. (0,5 puntos)

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Resultado

a) Sn en

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

(ánodo, −) y Ag en

\text{AgNO}_3

(cátodo, +), unidos por un puente salino de KCl y por un cable con voltímetro.

b) Cátodo:

\text{Ag}^+ + e^- \to \text{Ag}

; ánodo:

\text{Sn} \to \text{Sn}^{2+} + 2e^-

. Oxidante:

\text{Ag}^+

; reductor: Sn.

c)

E^0 = +0{,}94\ \text{V}

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Una pila galvánica separa la oxidación y la reducción en dos recipientes: cada metal sumergido en una disolución de sus iones, unidos por un cable exterior (con el voltímetro) y por un puente salino que cierra el circuito. El par con mayor potencial de reducción, el de la plata, hace de cátodo; el estaño se oxida en el ánodo. El potencial de la pila es la diferencia entre el del cátodo y el del ánodo.

Desarrollo

a) Esquema de la pila

Se dibujan dos vasos de precipitados:

A la izquierda, el ánodo: una lámina de estaño sumergida en una disolución 1 M de nitrato de estaño(II), $\text{Sn(NO}_3\text{)}_2$ , que aporta los $\text{Sn}^{2+}$ . Es el polo negativo.
A la derecha, el cátodo: una lámina de plata sumergida en una disolución 1 M de nitrato de plata, $\text{AgNO}_3$ . Es el polo positivo.
Un puente salino en forma de U invertida (un tubo con la disolución de cloruro de potasio, KCl, o un papel empapado en ella) que une las dos disoluciones: mantiene la neutralidad eléctrica de cada vaso, porque sus aniones migran hacia el ánodo y sus cationes hacia el cátodo.
Los dos electrodos unidos por cables a un voltímetro; los electrones circulan por el cable exterior desde el estaño hacia la plata.

Notación de la pila:

\text{Sn(s)}\,|\,\text{Sn}^{2+}(aq)\,||\,\text{Ag}^+(aq)\,|\,\text{Ag(s)}

.

(En la práctica, con plata se prefiere un puente de

\text{KNO}_3

, porque los

\text{Cl}^-

del KCl pueden precipitar AgCl en el vaso de la plata; aquí se usa el KCl que da el enunciado.)

b) Reacciones en los electrodos

El par

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

tiene mayor potencial de reducción (

+0{,}80

V frente a

-0{,}14

V), así que los

\text{Ag}^+

se reducen y el estaño se oxida:

Cátodo (reducción): $\text{Ag}^+(aq) + e^- \longrightarrow \text{Ag}(s)$
Ánodo (oxidación): $\text{Sn}(s) \longrightarrow \text{Sn}^{2+}(aq) + 2\,e^-$

Reacción global (multiplicando la del cátodo por 2):

\text{Sn}(s) + 2\,\text{Ag}^+(aq) \longrightarrow \text{Sn}^{2+}(aq) + 2\,\text{Ag}(s)

Especie oxidante: el ion

\text{Ag}^+

, que se reduce. Especie reductora: el Sn metálico, que se oxida.

c) Potencial estándar de la pila

E^0_{\text{pila}} = E^0_{\text{cátodo}} - E^0_{\text{ánodo}} = 0{,}80 - (-0{,}14) = +0{,}94\ \text{V}

Es positivo: la reacción es espontánea, como corresponde a una pila.

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

Consejo

En el esquema pon nombre a todo: qué electrodo es el ánodo y cuál el cátodo, sus signos, las disoluciones, el puente salino y el sentido de los electrones por el cable. Y recuerda: el oxidante es la especie que se reduce ( $\text{Ag}^+$ ), no el electrodo de plata.