QuímicaFácil2 pts

Pilas galvánicas y potenciales

Extremadura · 2020 · Junio

Enunciado

Sean los electrodos

\text{K}^+/\text{K}

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

. Se pide:

a) (0,60 puntos) Realizar el esquema de una pila indicando cátodo y ánodo.

b) (0,90 puntos) Escribir las semirreacciones correspondientes y la reacción global. Calcular el potencial estándar de la pila.

c) (0,50 puntos) ¿Qué tipo de especie química se utilizaría para la construcción del puente salino? Justificar la respuesta.

Datos: potenciales normales de reducción estándar:

E^\circ(\text{K}^+/\text{K}) = -2{,}93\ \text{V}

;

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

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Resultado

a) Ánodo (−): $\text{K}$ ; cátodo (+): $\text{Zn}$ . $\text{K}|\text{K}^+\|\text{Zn}^{2+}|\text{Zn}$ .
b) $2\text{K} + \text{Zn}^{2+} \to 2\text{K}^+ + \text{Zn}$ ;

\boxed{\;E^\circ_\text{pila} = 2{,}17\ \text{V}\;}

c) Un electrolito fuerte con iones inertes ( $\text{KNO}_3$ , $\text{KCl}$ ): mantiene la neutralidad eléctrica.

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

En una pila, el electrodo con mayor potencial de reducción actúa como cátodo (allí se produce la reducción) y el de menor potencial, como ánodo (oxidación). Aquí el cinc tiene el potencial más alto (

-0{,}76 > -2{,}93

), así que los iones

\text{Zn}^{2+}

se reducen y el potasio se oxida. La fuerza electromotriz es

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

, que debe salir positiva. El puente salino cierra el circuito con iones que no intervienen en las reacciones de los electrodos.

Desarrollo

a) Esquema de la pila

Como

E^\circ(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}) > E^\circ(\text{K}^+/\text{K})

Ánodo (polo negativo): electrodo de potasio sumergido en una disolución de iones $\text{K}^+$ (por ejemplo, $\text{KNO}_3\ 1\ \text{M}$ ). Allí se produce la oxidación.
Cátodo (polo positivo): lámina de cinc sumergida en una disolución de iones $\text{Zn}^{2+}$ (por ejemplo, $\text{ZnSO}_4\ 1\ \text{M}$ ). Allí se produce la reducción.
Los dos electrodos se unen por un hilo conductor (con un voltímetro) por el que los electrones circulan del ánodo (K) al cátodo (Zn).
Las dos disoluciones se unen mediante un puente salino, por el que migran los iones: los aniones hacia el ánodo y los cationes hacia el cátodo.

En notación abreviada (ánodo a la izquierda):

\text{K}(s)\;|\;\text{K}^+(aq,\ 1\ \text{M})\;\|\;\text{Zn}^{2+}(aq,\ 1\ \text{M})\;|\;\text{Zn}(s)

b) Semirreacciones, reacción global y potencial

Ánodo (oxidación), multiplicada por 2 para igualar los electrones:

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

Cátodo (reducción):

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

Reacción global (sumando):

2\,\text{K}(s) + \text{Zn}^{2+}(aq) \longrightarrow 2\,\text{K}^+(aq) + \text{Zn}(s)

Potencial estándar de la pila (multiplicar una semirreacción por 2 no cambia su potencial):

E^\circ_\text{pila} = E^\circ_\text{cátodo} - E^\circ_\text{ánodo} = -0{,}76 - (-2{,}93) = 2{,}17\ \text{V}

Como

E^\circ > 0

, la reacción es espontánea (

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

).

En la práctica, el potasio metálico reacciona violentamente con el agua, así que esta pila no se podría montar con una disolución acuosa en el ánodo; la pregunta es un ejercicio teórico con los potenciales de la tabla.

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

c) Puente salino

El puente salino se construye con un electrolito fuerte, una sal soluble totalmente disociada en iones, por ejemplo

\text{KNO}_3

\text{KCl}

\text{NH}_4\text{NO}_3

(en disolución o en un gel de agar dentro de un tubo en U). Debe cumplir que:

Sus iones sean inertes: que no reaccionen con los electrodos ni con los iones de las disoluciones (no deben formar precipitados ni oxidarse o reducirse).
Tenga iones móviles que puedan desplazarse de un vaso a otro.

Su función es mantener la neutralidad eléctrica de las dos disoluciones y cerrar el circuito: en el ánodo se acumulan cationes

\text{K}^+

y llegan aniones del puente; en el cátodo desaparecen

\text{Zn}^{2+}

y llegan cationes del puente. Sin él, las cargas se acumularían y la pila dejaría de funcionar enseguida.

Consejo

Para elegir el cátodo no hace falta memorizar: es el de mayor potencial de reducción. Y nunca multipliques el potencial por el coeficiente al igualar electrones: $E^\circ$ es una propiedad intensiva y no cambia.

Recuerda la regla de las vocales y consonantes: ánodo-oxidación, cátodo-reducción.