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Problema resuelto de Química: Pilas galvánicas y potencialesSelectividad (PAU) · País Vasco 2023 · Julio

Enunciado

Estos son los componentes de una pila electroquímica:

Electrodos metálicos: plata y magnesio.

Electrólitos: nitrato de magnesio(II) (

aq

) 1 M y nitrato de plata (

aq

) 1 M.

Puente salino: nitrato potásico (

aq

).

Datos:

E^0(\text{Ag}^+/\text{Ag}) = +0{,}80\ \text{V}

;

E^0(\text{Mg}^{2+}/\text{Mg}) = -2{,}37\ \text{V}

Esquema de una pila sin completar: dos vasos con disolución unidos por un puente salino en forma de U invertida y un hilo metálico que une los dos electrodos; solo el electrodo del vaso de la derecha está rotulado, Ag(s).

a) Completa la figura de la pila y asigna cada componente a una semipila. (0,4 puntos)

b) Indica qué electrodo actuará como cátodo. (0,4 puntos)

c) Escribe la ecuación química del proceso que ocurre en el ánodo. (0,4 puntos)

d) Indica el sentido de la corriente de electrones en el hilo metálico. (0,4 puntos)

e) Indica hacia dónde se mueven los iones del puente salino. (0,4 puntos)

Comprobar el resultadocompara con lo que te ha salido

Resultado

a) Izquierda: Mg en

\text{Mg(NO}_3)_2

1 M; derecha: Ag en

\text{AgNO}_3

1 M; puente salino de

\text{KNO}_3

entre los dos vasos.

b) El cátodo es el electrodo de plata.

c) Ánodo:

\text{Mg} \rightarrow \text{Mg}^{2+} + 2e^-

.

d) Los electrones van por el hilo del magnesio a la plata.

e)

\text{K}^+

hacia la semipila de plata (cátodo) y

\text{NO}_3^-

hacia la de magnesio (ánodo).

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

En una pila, la especie con el potencial de reducción mayor es la que se reduce (cátodo) y la de potencial menor se oxida (ánodo). Aquí la diferencia es enorme:

\text{Ag}^+

(+0,80 V) se reduce y el magnesio metálico (−2,37 V) se oxida. Cada electrodo va sumergido en la disolución de su propio catión, los electrones salen del ánodo por el hilo y el puente salino compensa las cargas que se acumulan en cada vaso.

Desarrollo

a) Montaje de la pila. La figura ya pone el electrodo de plata a la derecha, así que:

Semipila de la derecha: electrodo de plata, $\text{Ag}(s)$ , sumergido en la disolución de nitrato de plata 1 M ( $\text{Ag}^+$ y $\text{NO}_3^-$ ).
Semipila de la izquierda: electrodo de magnesio, $\text{Mg}(s)$ , sumergido en la disolución de nitrato de magnesio 1 M ( $\text{Mg}^{2+}$ y $\text{NO}_3^-$ ).
Puente salino: el tubo en U invertida que une los dos vasos, lleno de disolución de nitrato potásico ( $\text{K}^+$ y $\text{NO}_3^-$ ).
Hilo metálico exterior que une los dos electrodos (se le puede intercalar un voltímetro). Para completar el dibujo se rotulan el Mg(s) del electrodo de la izquierda, las dos disoluciones, el puente salino, el ánodo (−) a la izquierda y el cátodo (+) a la derecha, y una flecha sobre el hilo de izquierda a derecha para los electrones.

Notación de la pila:

\text{Mg}(s)\,|\,\text{Mg}^{2+}(1\ \text{M})\,\|\,\text{Ag}^+(1\ \text{M})\,|\,\text{Ag}(s)

.

b) Cátodo. El

\text{Ag}^+

tiene el potencial de reducción más alto, así que es el que se reduce; la reducción ocurre en el cátodo. El electrodo de plata es el cátodo (polo positivo):

\text{Ag}^+(aq) + e^- \rightarrow \text{Ag}(s)

c) Ánodo. En el electrodo de magnesio (polo negativo) ocurre la oxidación:

\text{Mg}(s) \rightarrow \text{Mg}^{2+}(aq) + 2\,e^-

La reacción global es

\text{Mg}(s) + 2\,\text{Ag}^+(aq) \rightarrow \text{Mg}^{2+}(aq) + 2\,\text{Ag}(s)

, con

E^0_{\text{pila}} = E^0_{\text{cátodo}} - E^0_{\text{ánodo}} = 0{,}80 - (-2{,}37) = 3{,}17\ \text{V}

, positiva: es espontánea.

d) Sentido de los electrones. Los electrones se liberan en el ánodo y se consumen en el cátodo: circulan por el hilo del electrodo de magnesio al de plata (de izquierda a derecha en la figura).

e) Iones del puente salino. En el vaso del ánodo aparecen iones

\text{Mg}^{2+}

(exceso de carga positiva) y en el del cátodo desaparecen iones

\text{Ag}^+

(exceso de carga negativa, por los

\text{NO}_3^-

que quedan). Para mantener la neutralidad:

los cationes $\text{K}^+$ se mueven hacia la semipila de la plata (cátodo);
los aniones $\text{NO}_3^-$ se mueven hacia la semipila del magnesio (ánodo).

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

Consejo

Una regla para no liarse: ánodo-oxidación (empiezan por vocal) y cátodo-reducción (por consonante). Los electrones siempre van por el hilo del ánodo al cátodo, y por el puente salino nunca pasan electrones, solo iones: los cationes van hacia el cátodo y los aniones hacia el ánodo.

Paso 1 de 3

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