QuímicaFácil2 pts

Electrólisis y leyes de Faraday

Comunidad de Madrid · 2023 · Julio (coincidentes)

Enunciado

Se realiza la electrólisis del

\text{NaCl}

en disolución acuosa a

300\ \text{K}

2{,}00\ \text{atm}

, haciendo pasar una corriente de

2{,}50\cdot 10^{3}\ \text{A}

durante

1\ \text{h}

, y se observa que se desprende

\text{Cl}_2(g)

en el ánodo y

\text{H}_2(g)

en el cátodo:

a) (1 punto) Escriba ajustadas las semirreacciones que tienen lugar en el ánodo y en el cátodo y la reacción iónica, detallando el estado de las especies.

b) (1 punto) Calcule el volumen de

\text{Cl}_2(g)

desprendido.

Datos.

E^0

(V):

\text{H}_2\text{O}/\text{H}_2 = -0{,}83

;

\text{Cl}_2/\text{Cl}^- = 1{,}36

;

R = 0{,}082\ \text{atm}\cdot\text{L}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}

;

F = 96485\ \text{C}\cdot\text{mol}^{-1}

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Resultado

a) Ánodo: $2\,\text{Cl}^-(ac) \rightarrow \text{Cl}_2(g) + 2\,e^-$ . Cátodo: $2\,\text{H}_2\text{O}(l) + 2\,e^- \rightarrow \text{H}_2(g) + 2\,\text{OH}^-(ac)$ . Global: $2\,\text{Cl}^-(ac) + 2\,\text{H}_2\text{O}(l) \rightarrow \text{Cl}_2(g) + \text{H}_2(g) + 2\,\text{OH}^-(ac)$ .
b) $V(\text{Cl}_2) = 574\ \text{L}$ (a $300\ \text{K}$ y $2{,}00\ \text{atm}$ ).

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

En una electrólisis, en el ánodo hay oxidación y en el cátodo, reducción. El enunciado ya dice qué se forma en cada electrodo: cloro en el ánodo (oxidación del

\text{Cl}^-

) y hidrógeno en el cátodo (reducción del agua, no del

\text{Na}^+

, que es mucho más difícil de reducir).

Para el volumen: la carga

Q = I\,t

se pasa a moles de electrones con

F

; la semirreacción del ánodo dice que cada

\text{Cl}_2

necesita dos electrones, y la ecuación de los gases da el volumen en las condiciones del enunciado.

Desarrollo

a) Semirreacciones y reacción iónica.

Ánodo (oxidación):

2\,\text{Cl}^-(ac) \longrightarrow \text{Cl}_2(g) + 2\,e^-

Cátodo (reducción del agua):

2\,\text{H}_2\text{O}(l) + 2\,e^- \longrightarrow \text{H}_2(g) + 2\,\text{OH}^-(ac)

Sumando (los electrones ya están igualados), la reacción iónica global es:

2\,\text{Cl}^-(ac) + 2\,\text{H}_2\text{O}(l) \longrightarrow \text{Cl}_2(g) + \text{H}_2(g) + 2\,\text{OH}^-(ac)

Su potencial es

E^0 = E^0_{\text{cátodo}} - E^0_{\text{ánodo}} = -0{,}83 - 1{,}36 = -2{,}19\ \text{V}

: negativo, así que el proceso no es espontáneo y hay que aplicar al menos

2{,}19\ \text{V}

desde una fuente externa. (La disolución se va haciendo básica: es el proceso cloro-álcali, que también produce

\text{NaOH}

.)

b) Volumen de cloro.

Carga que circula, con

t = 1\ \text{h} = 3600\ \text{s}

Q = I\,t = 2{,}50\cdot 10^{3}\ \text{A} \cdot 3600\ \text{s} = 9{,}00\cdot 10^{6}\ \text{C}

n(e^-) = \frac{Q}{F} = \frac{9{,}00\cdot 10^{6}}{96485} = 93{,}3\ \text{mol} \qquad n(\text{Cl}_2) = \frac{n(e^-)}{2} = 46{,}6\ \text{mol}

Volumen a

300\ \text{K}

2{,}00\ \text{atm}

V = \frac{n\,R\,T}{p} = \frac{46{,}6 \cdot 0{,}082 \cdot 300}{2{,}00} = 574\ \text{L}

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

Consejo

Recuerda la regla: ánodo–oxidación y cátodo–reducción (las dos vocales y las dos consonantes juntas). En la electrólisis de una disolución acuosa de $\text{NaCl}$ no se deposita sodio: en el cátodo se reduce el agua.

En b) no olvides dividir entre 2 los moles de electrones: cada molécula de $\text{Cl}_2$ se forma con dos.