QuímicaMedioCuestión · 1,5 pts

Pilas galvánicas y potenciales

Andalucía · 2019 · Reserva 1 · Opción A

Enunciado

Opción A · Cuestión 4. Una pila galvánica tiene electrodos de cobre y cinc en disoluciones

1\ \text{M}

de los iones

\text{Cu}^{2+}

\text{Zn}^{2+}

.

a) Escriba las semirreacciones que tienen lugar 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 hidrógeno gaseoso al ponerlo en contacto con ácido sulfúrico.

Potenciales estándar de reducción:

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

;

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

;

E^\circ(2\text{H}^+/\text{H}_2) = 0{,}00\ \text{V}

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Resultado

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

\boxed{\;\textbf{b) } E^\circ = 1{,}10\ \text{V}; \quad \text{Zn}\,|\,\text{Zn}^{2+}\,\|\,\text{Cu}^{2+}\,|\,\text{Cu}\;}

\boxed{\;\textbf{c) Solo el cinc } (E^\circ = +0{,}76\ \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{proceso espontáneo}

El apartado c) es la misma idea aplicada a otra reacción: para que un metal desprenda

\text{H}_2

con un ácido, debe oxidarse frente al par

\text{H}^+/\text{H}_2

, es decir, tener un potencial negativo.

Desarrollo

a) Semirreacciones.

Comparando potenciales:

0{,}34 > -0{,}76

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

\textbf{Ánodo } (\text{oxidación}, \text{ polo } -): \quad \text{Zn}(s) \longrightarrow \text{Zn}^{2+}(aq) + 2\,e^-

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

\textbf{Reacción global}: \quad \text{Zn}(s) + \text{Cu}^{2+}(aq) \longrightarrow \text{Zn}^{2+}(aq) + \text{Cu}(s)

Es la clásica pila Daniell: el electrodo de cinc se corroe y sobre el de cobre se deposita metal.

b) F.e.m. y notación.

E^\circ_{\text{pila}} = E^\circ_{\text{cátodo}} - E^\circ_{\text{ánodo}} = 0{,}34 - (-0{,}76) = \mathbf{1{,}10\ V}

Al ser positivo, la reacción es espontánea (

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

) y la pila funciona.

Notación simplificada, con el ánodo a la izquierda:

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

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

c) Solo el cinc produce hidrógeno.

Con cinc:

\text{Zn}(s) + 2\,\text{H}^+ \longrightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{H}_2(g)

E^\circ = E^\circ(\text{H}^+/\text{H}_2) - E^\circ(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}) = 0{,}00 - (-0{,}76) = +0{,}76\ \text{V} > 0

Es espontánea: el cinc se disuelve en el ácido desprendiendo burbujas de hidrógeno.

Con cobre:

\text{Cu}(s) + 2\,\text{H}^+ \longrightarrow \text{Cu}^{2+} + \text{H}_2(g)

E^\circ = 0{,}00 - 0{,}34 = -0{,}34\ \text{V} < 0

No es espontánea: el cobre no reacciona con el ácido sulfúrico diluido. (Con el ácido sulfúrico concentrado y en caliente sí se disuelve, pero porque el oxidante es entonces el sulfato, que se reduce a

\text{SO}_2

: tampoco se desprende

\text{H}_2

.) 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

Aplica siempre $E^\circ_{\text{pila}} = E^\circ_{\text{cátodo}} - E^\circ_{\text{ánodo}}$ con los potenciales de reducción tal como vienen en la tabla. Cambiarle el signo al del ánodo y además restarlo es el error que convierte un $1{,}10$ en un $-0{,}42$ .

El apartado c) tiene una lectura práctica que conviene mencionar: por eso el cobre resiste bien los ácidos y se usa en fontanería, mientras que el cinc sirve como ánodo de sacrificio para proteger otros metales de la corrosión.

Y en la notación de la pila, el orden es fijo: ánodo a la izquierda, cátodo a la derecha, con la doble barra representando el puente salino. Invertirlo equivale a describir una pila que no funcionaría.

Paso 1 de 3

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