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Pilas galvánicas y potenciales

Cataluña · 2024 · Junio

Enunciado

En el laboratorio se dispone de láminas de plata y cobre, así como de dos soluciones acuosas de concentración

1{,}00\ \text{M}

, una de sal de nitrato de plata (

\text{AgNO}_3

) y la otra de sal de nitrato de cobre(II) (

\text{Cu(NO}_3)_2

). También se dispone del material para hacer un puente salino.

a) (1,25 puntos) Haga el dibujo de la pila que se podría montar con los electrodos de cobre y plata, indicando todo el material necesario. Indique cuál de los electrodos de la pila funciona como ánodo y cuál como cátodo, su polaridad y la dirección en que circulan los electrones por el circuito externo. Escriba las semirreacciones y la reacción global.

b) (1,25 puntos) Considerando la pila del apartado anterior, calcule la fuerza electromotriz estándar a

25\ ^\circ\text{C}

y escriba la notación esquemática de la pila. Argumente si la lámina de cobre que actúa como electrodo aumenta o disminuye de masa a medida que avanza la reacción.

Datos: Potenciales estándar de reducción a

25\ ^\circ\text{C}

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

;

E^\circ(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) = 0{,}34\ \text{V}

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Resultado

a) Ánodo (polo −): cobre,

\text{Cu} \rightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\,e^-

; cátodo (polo +): plata,

\text{Ag}^+ + e^- \rightarrow \text{Ag}

; los electrones van por el hilo del cobre a la plata. Reacción global:

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

.

b)

E^\circ_{\text{pila}} = 0{,}46\ \text{V}

;

\text{Cu(s)}\,|\,\text{Cu}^{2+}(1{,}0\ \text{M})\,||\,\text{Ag}^+(1{,}0\ \text{M})\,|\,\text{Ag(s)}

; la masa de la lámina de cobre disminuye.

Ver la solución oficialla corrección de la PAU, con los puntos de cada paso

Solución oficial

Corrección oficial de la PAU de Cataluña (Generalitat de Catalunya), traducida del catalán. Las puntuaciones de cada paso son las de la pauta de corrección.

a)

Dibujo de la pila y del material necesario

Pila de cobre y plata: a la izquierda, un vaso con la disolución de Cu²⁺ 1,0 M y la lámina de cobre (ánodo, polo negativo); a la derecha, un vaso con Ag⁺ 1,0 M y la lámina de plata (cátodo, polo positivo); los dos vasos unidos por un puente salino y los electrodos por un hilo conductor por el que los electrones van del cobre a la plata

En la figura: «ÀNODE» = ánodo; «CÀTODE» = cátodo; «fil conductor» = hilo conductor; «pont salí» = puente salino; «semi cel·la ànode» = semicelda del ánodo; «semi cel·la càtode» = semicelda del cátodo.

0,75 p. Además de dos láminas de Cu y Ag y de las dos soluciones de los iones correspondientes (

\text{Cu}^{2+}

\text{Ag}^+

), el material necesario para montar la pila es:

2 vasos de precipitados que hagan la función de semiceldas electroquímicas.
1 hilo conductor que conectará los dos electrodos por un circuito externo.
1 puente salino que cerrará el circuito.

Escribir las semirreacciones y la reacción global

0,15 p. Ánodo (oxidación):

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

0,20 p. Cátodo (reducción):

2\times(\text{Ag}^+\text{(aq)} + 1\,e^- \rightarrow \text{Ag(s)})

0,15 p. Reacción global:

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

b)

Cálculo de la FEM estándar de la pila

E\,(\text{pila}) = E^0\ \text{cátodo} - E^0\ \text{ánodo} = 0{,}80\ \text{V} - (0{,}34\ \text{V}) = +0{,}46\ \text{V}

0,40 p.

\Rightarrow E\,(\text{pila}) = 0{,}46\ \text{V}

Se considerará correcto si se calcula la FEM como $E\,(\text{pila}) = E^0_{\text{reducción}} + E^0_{\text{oxidación}} = 0{,}80\ \text{V} + (-0{,}34\ \text{V}) = +0{,}46\ \text{V}$ .

Notación esquemática de la pila

El ánodo se escribe a la izquierda y el cátodo a la derecha:

0,40 p.

\Rightarrow \text{Cu(s)}\,|\,\text{Cu}^{2+}(\text{aq},\ 1{,}0\ \text{M})\,||\,\text{Ag}^+(\text{aq},\ 1{,}0\ \text{M})\,|\,\text{Ag(s)}

¿Qué sucede con la lámina de cobre?

La lámina de cobre (Cu) tiene en esta pila la función de ánodo.

En el ánodo siempre se produce la semirreacción de oxidación. En esta pila la reacción de oxidación que tiene lugar es:

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

Como el cobre del electrodo se oxida y se transforma en catión cobre(II), la cantidad de cobre metálico del electrodo disminuye a la vez que la concentración de ion cobre(II) en solución aumenta.

0,45 p.