QuímicaMedioCuestión · 1,5 pts

Pilas galvánicas y potenciales

Andalucía · 2020 · Reserva 1

Enunciado

Bloque B · B5. Se construye una pila introduciendo en las semiceldas correspondientes un electrodo de oro y un electrodo de cadmio.

a) Escriba las semirreacciones y la reacción global que tendrá lugar en dicha pila.

b) Indique la sustancia que se oxida, la que se reduce, la oxidante y la reductora.

c) Escriba la notación de la pila y determine el valor de su fuerza electromotriz.

Datos:

E^\circ(\text{Au}^{3+}/\text{Au}) = 1{,}42

E^\circ(\text{Cd}^{2+}/\text{Cd}) = -0{,}40

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Resultado

\boxed{\;\textbf{a) } 3\,\text{Cd} + 2\,\text{Au}^{3+} \to 3\,\text{Cd}^{2+} + 2\,\text{Au}\;}

\boxed{\;\textbf{b) se oxida el Cd (reductor); se reduce el } \text{Au}^{3+} \text{ (oxidante)}\;}

\boxed{\;\textbf{c) } \text{Cd}\,|\,\text{Cd}^{2+}\;\|\;\text{Au}^{3+}\,|\,\text{Au} \;;\quad E^\circ = +1{,}82 \text{ V}\;}

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Estrategia

Un solo criterio decide todo: el electrodo de mayor potencial de reducción actúa de cátodo.

E^\circ(\text{Au}^{3+}/\text{Au}) = 1{,}42 \;\ggg\; E^\circ(\text{Cd}^{2+}/\text{Cd}) = -0{,}40

\Rightarrow \; \text{cátodo: oro (se reduce)} \qquad \text{ánodo: cadmio (se oxida)}

Y presta atención al ajuste de electrones: el oro intercambia tres y el cadmio dos, así que hay que buscar el mínimo común múltiplo (6).

Desarrollo

a) Semirreacciones y reacción global.

Oxidación (ánodo). El cadmio metálico, de menor potencial, cede electrones:

\text{Cd}(s) \longrightarrow \text{Cd}^{2+}(ac) + 2e^-

Reducción (cátodo). El ion oro los capta:

\text{Au}^{3+}(ac) + 3e^- \longrightarrow \text{Au}(s)

Ajuste. El mínimo común múltiplo de 2 y 3 es 6: multiplicamos la oxidación por 3 y la reducción por 2.

3\,\text{Cd}(s) \longrightarrow 3\,\text{Cd}^{2+}(ac) + 6e^-

2\,\text{Au}^{3+}(ac) + 6e^- \longrightarrow 2\,\text{Au}(s)

\rule{9cm}{0.4pt}

\boxed{3\,\text{Cd}(s) + 2\,\text{Au}^{3+}(ac) \longrightarrow 3\,\text{Cd}^{2+}(ac) + 2\,\text{Au}(s)}

b) Identificación de las especies.

	Especie	Papel
Se oxida	$\text{Cd}$	pierde electrones, su estado de oxidación sube de $0$ a $+2$
Se reduce	$\text{Au}^{3+}$	gana electrones, baja de $+3$ a $0$
Agente oxidante	$\text{Au}^{3+}$	oxida al cadmio; se reduce él
Agente reductor	$\text{Cd}$	reduce al oro; se oxida él

En la práctica, el electrodo de cadmio se disuelve mientras sobre el de oro se deposita oro metálico.

c) Notación de la pila y fuerza electromotriz.

Notación, con el ánodo a la izquierda y el cátodo a la derecha:

\boxed{\text{Cd}(s)\,|\,\text{Cd}^{2+}(1\ \text{M})\;\|\;\text{Au}^{3+}(1\ \text{M})\,|\,\text{Au}(s)}

Fuerza electromotriz:

E^\circ_{\text{pila}} = E^\circ_{\text{cátodo}} - E^\circ_{\text{ánodo}} = 1{,}42 - (-0{,}40)

\boxed{E^\circ_{\text{pila}} = +1{,}82 \text{ V}}

Una fem muy alta, coherente con la enorme separación entre ambos electrodos en la serie electroquímica. El valor es positivo, luego el proceso es espontáneo.

Fíjate en que el potencial no se multiplica por los coeficientes de ajuste:

E^\circ

es una magnitud intensiva. Lo que sí depende de

n = 6

es la energía libre:

\Delta G^\circ = -n\,F\,E^\circ = -6 \cdot 96\,500 \cdot 1{,}82 = -1\,054 \text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}

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

Consejo

El apartado b) distingue cuatro conceptos que se confunden, y conviene responder los cuatro explícitamente. El truco está en la frase:

> "El oxidante se reduce; el reductor se oxida."

Suena contradictoria y por eso se recuerda: el agente oxidante se llama así porque oxida a otro, no porque se oxide él.

Y el error más caro: multiplicar el potencial por los coeficientes. La reacción global lleva un 3 y un 2, pero los $E^\circ$ siguen valiendo $-0{,}40$ y $1{,}42$ V. Un voltaje mide una diferencia de energía por unidad de carga, así que no depende de cuánta sustancia reaccione.

El potencial tan alto del $\text{Au}^{3+}$ ( $1{,}42$ V) explica por qué el oro es un metal noble: apenas hay oxidantes capaces de atacarlo, y por eso se encuentra nativo en la naturaleza.

Paso 1 de 3

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