QuímicaFácil2 pts

Pilas galvánicas y potenciales

Castilla y León · 2024 · Junio

Enunciado

A partir de los potenciales de reducción que se adjuntan, conteste razonadamente:

a) (1,0 puntos) ¿Qué metales de la lista se disolverán en una disolución de HCl 1 M?

b) (1,0 puntos) Se dispone de tres recipientes con disoluciones de

\text{AgNO}_3

\text{Zn(NO}_3)_2

\text{Mn(NO}_3)_2

. En cada uno se introduce una barra de hierro; ¿en qué caso se formará una capa del otro metal sobre la barra de hierro? Justifique la respuesta.

Datos:

E^\circ(\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}) = -0{,}44\ \text{V}

;

E^\circ(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}) = -0{,}76\ \text{V}

;

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

;

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

;

E^\circ(\text{Na}^+/\text{Na}) = -2{,}71\ \text{V}

;

E^\circ(\text{Mn}^{2+}/\text{Mn}) = -1{,}18\ \text{V}

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Resultado

a) Se disuelven Na, Mn, Zn y Fe ( $E^\circ < 0$ ); no se disuelven Cu ni Ag ( $E^\circ > 0$ ).
b) Solo en el $\text{AgNO}_3$ : $\text{Fe} + 2\,\text{Ag}^+ \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\,\text{Ag}$ , $E^\circ = +1{,}24\ \text{V}$ . Con $\text{Zn}^{2+}$ ( $-0{,}32\ \text{V}$ ) y $\text{Mn}^{2+}$ ( $-0{,}74\ \text{V}$ ), no.

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Una reacción redox es espontánea si su potencial

E^\circ = E^\circ_\text{cátodo} - E^\circ_\text{ánodo}

es positivo, es decir, si la especie que se reduce tiene mayor potencial de reducción que la que se oxida.

a) Disolverse en HCl significa que el metal se oxida y los $\text{H}^+$ se reducen a $\text{H}_2$ , cuyo potencial es $E^\circ(\text{H}^+/\text{H}_2) = 0\ \text{V}$ . Lo hacen los metales con potencial de reducción negativo.
b) Se forma una capa del otro metal si el hierro (que se oxida) es capaz de reducir a sus cationes, es decir, si el potencial de ese par es mayor que $-0{,}44\ \text{V}$ .

Desarrollo

a) Metales que se disuelven en HCl 1 M

En la disolución de HCl 1 M los iones

\text{H}^+

pueden actuar como oxidantes:

2\,\text{H}^+(aq) + 2\,e^- \longrightarrow \text{H}_2(g) \qquad E^\circ = 0{,}00\ \text{V}

Un metal M se disuelve si se oxida a

\text{M}^{n+}

reduciendo los

\text{H}^+

. El potencial de la reacción es

E^\circ = E^\circ(\text{H}^+/\text{H}_2) - E^\circ(\text{M}^{n+}/\text{M}) = 0 - E^\circ(\text{M}^{n+}/\text{M})

que es positivo (proceso espontáneo) solo si

E^\circ(\text{M}^{n+}/\text{M}) < 0

Metal	$E^\circ$ (V)	$E^\circ$ de la reacción con $\text{H}^+$ (V)	¿Se disuelve?
Na	$-2{,}71$	$+2{,}71$	Sí
Mn	$-1{,}18$	$+1{,}18$	Sí
Zn	$-0{,}76$	$+0{,}76$	Sí
Fe	$-0{,}44$	$+0{,}44$	Sí
Cu	$+0{,}34$	$-0{,}34$	No
Ag	$+0{,}80$	$-0{,}80$	No

Se disuelven Na, Mn, Zn y Fe, con desprendimiento de hidrógeno. Por ejemplo, para el cinc:

\text{Zn}(s) + 2\,\text{H}^+(aq) \longrightarrow \text{Zn}^{2+}(aq) + \text{H}_2(g) \qquad E^\circ = +0{,}76\ \text{V}

El Cu y la Ag, con potenciales positivos, son menos reductores que el hidrógeno y no reaccionan con el HCl. (El sodio, además, reacciona violentamente con la propia agua de la disolución.)

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

b) Barra de hierro en las tres disoluciones

Para que se forme una capa del otro metal, el hierro debe oxidarse (

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

, ánodo) y los cationes de la disolución deben reducirse a metal sobre la barra (cátodo). Calculamos

E^\circ = E^\circ_\text{cátodo} - E^\circ(\text{Fe}^{2+}/\text{Fe})

en cada caso:

$\text{AgNO}_3$ :

\text{Fe}(s) + 2\,\text{Ag}^+(aq) \longrightarrow \text{Fe}^{2+}(aq) + 2\,\text{Ag}(s) \qquad E^\circ = 0{,}80 - (-0{,}44) = +1{,}24\ \text{V}

E^\circ > 0

: la reacción es espontánea y se deposita plata sobre la barra.

$\text{Zn(NO}_3)_2$ :

\text{Fe}(s) + \text{Zn}^{2+}(aq) \longrightarrow \text{Fe}^{2+}(aq) + \text{Zn}(s) \qquad E^\circ = -0{,}76 - (-0{,}44) = -0{,}32\ \text{V}

E^\circ < 0

: no es espontánea, no se deposita cinc.

$\text{Mn(NO}_3)_2$ :

\text{Fe}(s) + \text{Mn}^{2+}(aq) \longrightarrow \text{Fe}^{2+}(aq) + \text{Mn}(s) \qquad E^\circ = -1{,}18 - (-0{,}44) = -0{,}74\ \text{V}

E^\circ < 0

: no es espontánea, no se deposita manganeso.

Solo se forma una capa metálica en la disolución de nitrato de plata: el

\text{Ag}^+

es mejor oxidante que el

\text{Fe}^{2+}

, mientras que el Zn y el Mn son metales más reductores que el hierro y sus cationes no pueden ser reducidos por él.

Consejo

Una regla rápida: un metal reduce a los cationes de cualquier par que esté por encima de él en la serie de potenciales. El hierro ( $-0{,}44\ \text{V}$ ) reduce al $\text{Ag}^+$ y al $\text{H}^+$ , pero no al $\text{Zn}^{2+}$ ni al $\text{Mn}^{2+}$ .

Al calcular $E^\circ$ no multipliques los potenciales por los coeficientes del ajuste: aunque haya $2\,\text{Ag}^+$ , el potencial del par sigue siendo $0{,}80\ \text{V}$ .