QuímicaMedioCuestión · 1,5 pts

Pilas galvánicas y potenciales

Andalucía · 2022 · Reserva 2

Enunciado

Bloque B · B5. Utilizando los siguientes potenciales estándar de reducción:

E^\circ(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) = 0{,}34 \text{ V} \qquad E^\circ(\text{Mg}^{2+}/\text{Mg}) = -2{,}37 \text{ V} \qquad E^\circ(\text{Ni}^{2+}/\text{Ni}) = -0{,}25 \text{ V}

a) Explique si se producirá de forma espontánea la reacción

\text{Mg}^{2+} + \text{Cu} \rightarrow \text{Mg} + \text{Cu}^{2+}

.

b) Calcule el potencial estándar de la pila formada con los electrodos de cobre y níquel.

c) Justifique cuál de los tres cationes

\text{Cu}^{2+}

\text{Ni}^{2+}

\text{Mg}^{2+}

es más oxidante.

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Resultado

\boxed{\;\textbf{a) NO: } E^\circ = -2{,}37 - 0{,}34 = -2{,}71 \text{ V} < 0\;}

\boxed{\;\textbf{b) } E^\circ_{\text{pila}} = 0{,}34 - (-0{,}25) = +0{,}59 \text{ V}\;}

\boxed{\;\textbf{c) el Cu}^{2+}, \text{ por tener el mayor } E^\circ \text{ de reducción}\;}

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Estrategia

Una sola idea gobierna los tres apartados: cuanto mayor es $E^\circ$ de reducción, mayor es la tendencia de esa especie a reducirse, es decir, más oxidante es su forma oxidada.

Ordenando los datos de mayor a menor:

\text{Cu}^{2+}/\text{Cu} \;(0{,}34) \;>\; \text{Ni}^{2+}/\text{Ni} \;(-0{,}25) \;>\; \text{Mg}^{2+}/\text{Mg} \;(-2{,}37)

Y la fórmula, siempre la misma:

E^\circ_{\text{pila}} = E^\circ_{\text{cátodo (reducción)}} - E^\circ_{\text{ánodo (oxidación)}}

E^\circ > 0 \Rightarrow \text{espontánea} \qquad E^\circ < 0 \Rightarrow \text{no espontánea}

Desarrollo

a) No, la reacción no es espontánea.

Identificamos los papeles en la reacción propuesta:

\text{Mg}^{2+} + 2e^- \longrightarrow \text{Mg} \qquad \text{(reducción} \Rightarrow \text{cátodo)}

\text{Cu} \longrightarrow \text{Cu}^{2+} + 2e^- \qquad \text{(oxidación} \Rightarrow \text{ánodo)}

E^\circ = E^\circ_{\text{cátodo}} - E^\circ_{\text{ánodo}} = (-2{,}37) - (0{,}34)

\boxed{E^\circ = -2{,}71 \text{ V} \;<\; 0}

Al ser negativo,

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

: el proceso no es espontáneo.

Tiene todo el sentido químico: el

\text{Mg}^{2+}

es un oxidante malísimo (su potencial es el más bajo de los tres) y el cobre metálico es un reductor muy pobre. Lo que sí ocurriría espontáneamente es la reacción inversa:

\text{Mg} + \text{Cu}^{2+} \longrightarrow \text{Mg}^{2+} + \text{Cu} \qquad E^\circ = 0{,}34 - (-2{,}37) = +2{,}71 \text{ V}

b) Potencial de la pila cobre-níquel.

Para que la pila funcione, el cátodo debe ser el electrodo de mayor potencial de reducción:

\text{cátodo: } \text{Cu}^{2+} + 2e^- \to \text{Cu} \qquad (E^\circ = 0{,}34 \text{ V})

\text{ánodo: } \text{Ni} \to \text{Ni}^{2+} + 2e^- \qquad (E^\circ = -0{,}25 \text{ V})

E^\circ_{\text{pila}} = 0{,}34 - (-0{,}25)

\boxed{E^\circ_{\text{pila}} = +0{,}59 \text{ V}}

Reacción global y notación de la pila:

\text{Ni}(s) + \text{Cu}^{2+}(ac) \longrightarrow \text{Ni}^{2+}(ac) + \text{Cu}(s)

\text{Ni}\,|\,\text{Ni}^{2+}(1\,\text{M})\;\|\;\text{Cu}^{2+}(1\,\text{M})\,|\,\text{Cu}

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

c) El catión más oxidante es el $\text{Cu}^{2+}$ .

Un oxidante es una especie que capta electrones, es decir, que se reduce. Cuanto mayor es su potencial estándar de reducción, mayor es esa tendencia:

E^\circ(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) = 0{,}34 \;>\; E^\circ(\text{Ni}^{2+}/\text{Ni}) = -0{,}25 \;>\; E^\circ(\text{Mg}^{2+}/\text{Mg}) = -2{,}37 \text{ V}

\text{poder oxidante: } \text{Cu}^{2+} > \text{Ni}^{2+} > \text{Mg}^{2+}

Y, como consecuencia inmediata, el orden del poder reductor de los metales es el inverso:

\text{Mg} > \text{Ni} > \text{Cu}

El magnesio es el reductor más fuerte de los tres (se oxida con facilidad), lo que explica su uso como ánodo de sacrificio para proteger estructuras de hierro de la corrosión.

Consejo

El error clásico de a) es "arreglar" la reacción propuesta y calcular la pila espontánea. El enunciado te da una reacción concreta y pregunta si esa es espontánea: identifica qué se reduce y qué se oxida según está escrita, calcula el potencial y responde. Si sale negativo, la respuesta es "no", y puedes añadir que la inversa sí lo es.

Y no caigas en la tentación de invertir el signo del ánodo y restar: elige una de las dos formas y sé coherente. $E^\circ_{\text{pila}} = E^\circ_{\text{red,cát}} - E^\circ_{\text{red,ánodo}} \qquad \text{o} \qquad E^\circ_{\text{pila}} = E^\circ_{\text{red,cát}} + E^\circ_{\text{ox,ánodo}}$

Paso 1 de 3

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