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Pilas galvánicas y potenciales

Castilla y León · 2019 · Julio · Opción B

Enunciado

Se construye una pila galvánica introduciendo un electrodo de cobre en una disolución

1\ \text{M}

de nitrato de cobre (II) y un electrodo de plata en una disolución

1\ \text{M}

de nitrato de plata.

a) (0,5 puntos) Haga un dibujo con el montaje de la pila.

b) (0,5 puntos) Explique la función del puente salino.

c) (0,5 puntos) Escriba las reacciones que tienen lugar en el ánodo y cátodo.

d) (0,5 puntos) Escriba la reacción global y calcule la fuerza electromotriz.

Datos:

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

;

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

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Resultado

a) Ánodo (−): Cu en $\text{Cu}(\text{NO}_3)_2$ ; cátodo (+): Ag en $\text{AgNO}_3$ ; electrones de Cu a Ag.
b) Cierra el circuito y mantiene la neutralidad eléctrica de las disoluciones.
c) Ánodo: $\text{Cu} \to \text{Cu}^{2+} + 2e^-$ ; cátodo: $\text{Ag}^+ + e^- \to \text{Ag}$ .
d) $\text{Cu} + 2\text{Ag}^+ \to \text{Cu}^{2+} + 2\text{Ag}$ ; $\boxed{\;E^\circ = 0{,}46\ \text{V}\;}$

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Estrategia

Lo primero es decidir qué electrodo es el cátodo: se reduce el par de mayor potencial de reducción (

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

0{,}80\ \text{V}

) y se oxida el de menor (

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

0{,}34\ \text{V}

). Con eso se dibuja el montaje (polaridad, sentido de los electrones, puente salino), se escriben las semirreacciones y se suman igualando electrones. La fem es

E^\circ = E^\circ_{\text{cátodo}} - E^\circ_{\text{ánodo}}

; las concentraciones son

1\ \text{M}

, así que es la fem estándar.

Desarrollo

a) Montaje de la pila

Como

E^\circ(\text{Ag}^+/\text{Ag}) > E^\circ(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu})

, la plata es el cátodo (polo +) y el cobre el ánodo (polo −). Los electrones salen del cobre y van por el hilo exterior hasta la plata:

Esquema de la pila: a la izquierda, un vaso con disolución de nitrato de cobre(II) 1 M y una lámina de cobre, que es el ánodo (−), donde Cu se oxida a Cu²⁺; a la derecha, un vaso con disolución de nitrato de plata 1 M y una lámina de plata, que es el cátodo (+), donde Ag⁺ se reduce a Ag. Los electrodos están unidos por un hilo con un voltímetro que marca 0,46 V; los electrones circulan del cobre a la plata. Un puente salino de KNO₃ une los dos vasos: los iones nitrato van hacia el vaso del cobre y los iones potasio hacia el de la plata.

En notación abreviada:

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

b) Función del puente salino

El puente salino es un tubo con una disolución de un electrolito inerte (por ejemplo,

\text{KNO}_3

\text{KCl}

) que une las dos semiceldas. Sus funciones son:

Cerrar el circuito eléctrico: por el hilo circulan electrones y por el puente, iones.
Mantener la neutralidad eléctrica de cada disolución. En el ánodo se forman iones $\text{Cu}^{2+}$ (la disolución tendería a cargarse positivamente) y en el cátodo desaparecen iones $\text{Ag}^+$ (quedaría un exceso de $\text{NO}_3^-$ ). Los aniones del puente ( $\text{NO}_3^-$ ) migran hacia el ánodo y los cationes ( $\text{K}^+$ ), hacia el cátodo, compensando esas cargas.

Sin él, la acumulación de carga frenaría enseguida la reacción y la pila dejaría de funcionar. Además, evita que se mezclen las dos disoluciones (si los

\text{Ag}^+

llegaran al cobre, reaccionarían directamente sobre él sin producir corriente útil).

c) Reacciones en los electrodos

Ánodo (−), oxidación:

\text{Cu}(s) \longrightarrow \text{Cu}^{2+}(aq) + 2\,e^-

Cátodo (+), reducción:

\text{Ag}^+(aq) + e^- \longrightarrow \text{Ag}(s)

La lámina de cobre se va disolviendo y sobre la de plata se deposita plata metálica.

d) Reacción global y fuerza electromotriz

Se multiplica la reducción por 2 para igualar los electrones y se suman:

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

E^\circ_{\text{pila}} = E^\circ_{\text{cátodo}} - E^\circ_{\text{ánodo}} = E^\circ(\text{Ag}^+/\text{Ag}) - E^\circ(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) = 0{,}80 - 0{,}34 = 0{,}46\ \text{V}

El potencial de la plata no se multiplica por 2: es una propiedad intensiva. Como

E^\circ > 0

, la reacción es espontánea (

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

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

Consejo

Al ajustar la reacción global multiplicas la semirreacción de la plata por 2, pero su potencial no: $E^\circ$ no depende de la cantidad de sustancia. Quien escribe $2 \cdot 0{,}80 - 0{,}34$ obtiene $1{,}26\ \text{V}$ y pierde el apartado.

En el dibujo no olvides lo que puntúa: ánodo y cátodo con su signo, sentido de los electrones por el hilo y el puente salino con el movimiento de sus iones.