QuímicaFácilCuestión · 1,5 pts

Pilas galvánicas y potenciales

Andalucía · 2021 · Reserva 4
Enunciado
Bloque B · B5. Una pila electroquímica está compuesta por dos electrodos, de Ag\text{Ag} y de Cu\text{Cu}, introducidos en una disolución 11 M de AgNO3\text{AgNO}_3 y 11 M de Cu(NO3)2\text{Cu}(\text{NO}_3)_2, respectivamente.

a) Escriba las semirreacciones de oxidación y de reducción que tienen lugar e identifique el oxidante y el reductor de la reacción redox.

b) Escriba la notación de barras de la pila.

c) Calcule la f.e.m. de la pila.

Datos: E∘(Ag+/Ag)=0,80E^\circ(\text{Ag}^+/\text{Ag}) = 0{,}80 V; E∘(Cu2+/Cu)=0,34E^\circ(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) = 0{,}34 V.
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Resultado
  a) aˊnodo: Cu→Cu2++2e−  ;  caˊtodo: Ag++e−→Ag  \boxed{\;\textbf{a) ánodo: } \text{Cu} \to \text{Cu}^{2+} + 2e^- \;;\; \text{cátodo: } \text{Ag}^+ + e^- \to \text{Ag}\;}  oxidante: Ag+  ;reductor: Cu  \boxed{\;\text{oxidante: } \text{Ag}^+ \;;\quad \text{reductor: } \text{Cu}\;}  b) Cu ∣ Cu2+(1 M)  ∥  Ag+(1 M) ∣ Agc) E∘=+0,46 V  \boxed{\;\textbf{b) } \text{Cu}\,|\,\text{Cu}^{2+}(1\,\text{M})\;\|\;\text{Ag}^+(1\,\text{M})\,|\,\text{Ag} \qquad \textbf{c) } E^\circ = +0{,}46 \text{ V}\;}
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Estrategia

Un solo criterio decide toda la cuestión: el electrodo de mayor potencial de reducción actúa de cátodo, porque así la fem sale positiva y el proceso es espontáneo.E∘(Ag+/Ag)=0,80  >  E∘(Cu2+/Cu)=0,34E^\circ(\text{Ag}^+/\text{Ag}) = 0{,}80 \;>\; E^\circ(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) = 0{,}34⇒  caˊtodo: plata (se reduce)aˊnodo: cobre (se oxida)\Rightarrow \; \text{cátodo: plata (se reduce)} \qquad \text{ánodo: cobre (se oxida)}Y no olvides ajustar los electrones antes de escribir la reacción global.
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Desarrollo

a) Semirreacciones, oxidante y reductor.

Oxidación (ánodo). El cobre metálico, de menor potencial, cede electrones:Cu(s)⟶Cu2+(ac)+2e−\boxed{\text{Cu}(s) \longrightarrow \text{Cu}^{2+}(ac) + 2e^-}Reducción (cátodo). El ion plata los capta:Ag+(ac)+1e−⟶Ag(s)\boxed{\text{Ag}^+(ac) + 1e^- \longrightarrow \text{Ag}(s)}Reacción global, multiplicando la reducción por 2 para igualar electrones:Cu(s)+2 Ag+(ac)⟶Cu2+(ac)+2 Ag(s)\text{Cu}(s) + 2\,\text{Ag}^+(ac) \longrightarrow \text{Cu}^{2+}(ac) + 2\,\text{Ag}(s)Identificación de los agentes:Oxidante=Ag+(capta electrones y se reduce)\textbf{Oxidante} = \text{Ag}^+ \quad (\text{capta electrones y } \textbf{se reduce})Reductor=Cu(cede electrones y se oxida)\textbf{Reductor} = \text{Cu} \quad (\text{cede electrones y } \textbf{se oxida})En la práctica, el electrodo de cobre se va disolviendo (su disolución se hace más azul por el Cu2+\text{Cu}^{2+}) y sobre el de plata se deposita más plata. Es la misma reacción del "árbol de Diana", el experimento clásico en el que un hilo de cobre sumergido directamente en AgNO3\text{AgNO}_3 se recubre de cristales de plata.

b) Notación de barras.

El convenio internacional coloca el ánodo a la izquierda y el cátodo a la derecha:Cu(s) ∣ Cu2+(1 M)  ∥  Ag+(1 M) ∣ Ag(s)\boxed{\text{Cu}(s)\,|\,\text{Cu}^{2+}(1\ \text{M})\;\|\;\text{Ag}^+(1\ \text{M})\,|\,\text{Ag}(s)}
  • La barra simple ∣| indica una interfase entre fases distintas (metal-disolución).
  • La barra doble ∥\| representa el puente salino, que cierra el circuito iónico y mantiene la electroneutralidad de las dos semiceldas.
c) Fuerza electromotriz.Epila∘=Ecaˊtodo∘−Eaˊnodo∘=0,80−0,34E^\circ_{\text{pila}} = E^\circ_{\text{cátodo}} - E^\circ_{\text{ánodo}} = 0{,}80 - 0{,}34Epila∘=+0,46 V\boxed{E^\circ_{\text{pila}} = +0{,}46 \text{ V}}Positiva, luego el proceso es espontáneo, como corresponde a una pila galvánica.

Conviene subrayar que el potencial no se multiplica por el coeficiente 2 de la plata: E∘E^\circ es una magnitud intensiva. Lo que sí depende de nn es la energía libre:ΔG∘=−n F E∘=−2⋅96 500⋅0,46=−88,8 kJ⋅mol−1\Delta G^\circ = -n\,F\,E^\circ = -2 \cdot 96\,500 \cdot 0{,}46 = -88{,}8 \text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}
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Consejo

Tres errores que este tipo de cuestión persigue, y cómo evitarlos:
  1. Multiplicar el potencial por el coeficiente. La plata va con un 2 en la reacción global, pero su E∘E^\circ sigue valiendo 0,800{,}80 V. Un voltaje no depende de cuánta sustancia reaccione.
  2. Invertir la notación. Ánodo a la izquierda, cátodo a la derecha, siempre.
  3. Confundir oxidante y reductor. Quédate con la frase: "el oxidante se reduce".
Y un truco para recordar el orden de la notación: ánodo y oxidación empiezan por vocal; cátodo y reducción, por consonante. Además, ánodo va antes que cátodo en el alfabeto, igual que en la notación.
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