QuímicaDifícilProblema · 2,5 pts

Electrólisis y leyes de Faraday

Andalucía · 2025 · Junio
Enunciado
PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN

El deterioro como consecuencia de la oxidación es un gran problema económico para industrias que utilizan estructuras de hierro o de acero, sobre todo si se encuentran en ambientes húmedos o directamente en contacto con el agua, como plataformas sumergidas en el mar, tuberías subterráneas o cascos de barcos. En estos casos, la oxidación para formar óxido de hierro(III) es muy rápida y supondría grandes inversiones económicas tener que sustituir frecuentemente las partes oxidadas.

Una solución para evitar la oxidación del hierro y del acero es incorporar a la estructura piezas de otros metales que puedan formar con el hierro una pila galvánica en la que éste sea el cátodo y el otro metal funcione como ánodo. A este método de protección se le llama protección catódica y a las piezas metálicas utilizadas para ello se les llama ánodos de sacrificio.

Uno de los metales más usados como ánodo de sacrificio es el magnesio, que puede obtenerse a partir del agua del mar, donde se encuentra disuelto en forma de MgCl2\textbf{MgCl}_\textbf{2} y de sulfato de magnesio. Una vez separado el MgCl2\text{MgCl}_2 sólido, se procede a su electrólisis en estado fundido obteniéndose magnesio y cloro gaseoso.

En la corteza terrestre también está presente el magnesio en forma de MgCO3\textbf{MgCO}_\textbf{3} (KS=3,5⋅10−8K_S = 3{,}5\cdot 10^{-8}), compuesto insoluble al igual que otras especies de este metal como el fosfato de magnesio (KS=1,04⋅10−24K_S = 1{,}04\cdot 10^{-24}), el MgF2\text{MgF}_2 (KS=5,16⋅10−11K_S = 5{,}16\cdot 10^{-11}) o el Mg(OH)2\text{Mg(OH)}_2 (KS=5,61⋅10−12K_S = 5{,}61\cdot 10^{-12}).

a) Justifique cuáles de los metales de la Tabla pueden utilizarse como ánodo de sacrificio. (0,5 puntos)

b) Calcule la intensidad de corriente necesaria para obtener una producción diaria de 10 kg10\ \text{kg} de magnesio metálico por electrólisis de MgCl2\text{MgCl}_2 fundido, escribiendo la reacción correspondiente. (0,5 puntos)

Datos: F=96500 C mol−1F = 96500\ \text{C}\,\text{mol}^{-1}; Masa atómica relativa: Mg=24,3\text{Mg} = 24{,}3.

c) A partir del equilibrio de solubilidad del MgCO3\text{MgCO}_3, determine la masa de magnesio que hay disuelta en 25 L25\ \text{L} de disolución saturada de dicha sal. (1 punto)

d) Nombre o formule los cuatro compuestos que aparecen en negrita en el texto. (0,5 puntos)
ElectrodoE∘E^\circ (V)
Ag+/Ag\text{Ag}^+/\text{Ag}+0,80+0{,}80
Cu2+/Cu\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}+0,34+0{,}34
Fe3+/Fe\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}−0,04-0{,}04
Zn2+/Zn\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}−0,76-0{,}76
Al3+/Al\text{Al}^{3+}/\text{Al}−1,67-1{,}67
Mg2+/Mg\text{Mg}^{2+}/\text{Mg}−2,38-2{,}38
Comprobar el resultadocompara con lo que te ha salido
Resultado
  a) Zn, Al y Mg (E∘<−0,04 V)  \boxed{\;\textbf{a) Zn, Al y Mg } (E^\circ < -0{,}04\ \text{V})\;}  b) I=9,19⋅102 Ac) m(Mg)=0,114 g  \boxed{\;\textbf{b) } I = 9{,}19\cdot 10^{2}\ \text{A} \qquad \textbf{c) } m(\text{Mg}) = 0{,}114\ \text{g}\;}  d) Fe2O3; cloruro de magnesio; carbonato de magnesio; Mg3(PO4)2  \boxed{\;\textbf{d) } \text{Fe}_2\text{O}_3;\ \text{cloruro de magnesio};\ \text{carbonato de magnesio};\ \text{Mg}_3(\text{PO}_4)_2\;}
Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo
1

Estrategia

Cuatro apartados independientes que recorren medio temario.

En a) todo se reduce a una idea: un ánodo de sacrificio tiene que oxidarse antes que el hierro, es decir, ser más reductor. Y más reductor significa potencial normal de reducción más negativo que el del hierro.

En b) es una aplicación directa de la ley de Faraday: masa →\rightarrow moles →\rightarrow moles de electrones (ojo al 2 del Mg2+\text{Mg}^{2+}) →\rightarrow carga →\rightarrow intensidad, con t=1t = 1 día =86400 s= 86400\ \text{s}.

En c) es un equilibrio de solubilidad 1 : 1: escribe la disociación, pon ss debajo de cada ion y despeja de KS=s2K_S = s^2.
2

Desarrollo

a) Metales válidos como ánodo de sacrificio.

El ánodo es donde ocurre la oxidación. Para que el metal de sacrificio se oxide en lugar del hierro, debe tener mayor tendencia a oxidarse, o lo que es lo mismo, menor potencial normal de reducción que el Fe3+/Fe\text{Fe}^{3+}/\text{Fe} (−0,04 V-0{,}04\ \text{V}):Emetal∘<EFe∘=−0,04 VE^\circ_{\text{metal}} < E^\circ_{\text{Fe}} = -0{,}04\ \text{V}Cumplen la condición:Zn (−0,76 V),Al (−1,67 V),Mg (−2,38 V)\text{Zn}\ (-0{,}76\ \text{V}), \qquad \text{Al}\ (-1{,}67\ \text{V}), \qquad \text{Mg}\ (-2{,}38\ \text{V})No sirven la plata (+0,80+0{,}80) ni el cobre (+0,34+0{,}34): al tener potenciales mayores que el hierro, sería el hierro el que se oxidaría (harían de cátodo y acelerarían la corrosión, justo lo contrario de lo buscado).

b) Intensidad de la electrólisis.

Semirreacciones del MgCl2\text{MgCl}_2 fundido:Caˊtodo (reduccioˊn):Mg2++2e−⟶Mg\text{Cátodo (reducción):}\quad \text{Mg}^{2+} + 2e^- \longrightarrow \text{Mg}Aˊnodo (oxidacioˊn):2 Cl−⟶Cl2+2e−\text{Ánodo (oxidación):}\quad 2\,\text{Cl}^- \longrightarrow \text{Cl}_2 + 2e^-Global:MgCl2(l)⟶Mg(l)+Cl2(g)\text{Global:}\quad \text{MgCl}_2(l) \longrightarrow \text{Mg}(l) + \text{Cl}_2(g)Moles de magnesio a producir:nMg=10 00024,3=411,5 moln_{\text{Mg}} = \frac{10\,000}{24{,}3} = 411{,}5\ \text{mol}Cada mol de Mg necesita 2 mol de electrones:Q=nMg⋅2⋅F=411,5⋅2⋅96500=7,94⋅107 CQ = n_{\text{Mg}}\cdot 2 \cdot F = 411{,}5 \cdot 2 \cdot 96500 = 7{,}94\cdot 10^{7}\ \text{C}Como esa carga debe pasar en un día (t=24⋅3600=86 400 st = 24\cdot 3600 = 86\,400\ \text{s}):I=Qt=7,94⋅10786 400=919 AI = \frac{Q}{t} = \frac{7{,}94\cdot 10^{7}}{86\,400} = \mathbf{919\ A}
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
c) Magnesio disuelto en 25 L de disolución saturada de MgCO3\text{MgCO}_3.

Equilibrio de solubilidad:MgCO3(s)⇌Mg2+(ac)+CO32−(ac)\text{MgCO}_3(s) \rightleftharpoons \text{Mg}^{2+}(ac) + \text{CO}_3^{2-}(ac)Si ss es la solubilidad molar, en el equilibrio [Mg2+]=[CO32−]=s[\text{Mg}^{2+}] = [\text{CO}_3^{2-}] = s:KS=[Mg2+][CO32−]=s2=3,5⋅10−8K_S = [\text{Mg}^{2+}][\text{CO}_3^{2-}] = s^2 = 3{,}5\cdot 10^{-8}s=3,5⋅10−8=1,87⋅10−4 mol L−1s = \sqrt{3{,}5\cdot 10^{-8}} = 1{,}87\cdot 10^{-4}\ \text{mol}\,\text{L}^{-1}En 25 L de disolución saturada:nMg2+=1,87⋅10−4⋅25=4,68⋅10−3 moln_{\text{Mg}^{2+}} = 1{,}87\cdot 10^{-4}\cdot 25 = 4{,}68\cdot 10^{-3}\ \text{mol}mMg=4,68⋅10−3⋅24,3=0,114 gm_{\text{Mg}} = 4{,}68\cdot 10^{-3}\cdot 24{,}3 = \mathbf{0{,}114\ g}(La simulación trabaja con la sal entera: da la masa de MgCO3\text{MgCO}_3 disuelta, 4,68⋅10−3⋅84,3=0,394 g4{,}68\cdot 10^{-3}\cdot 84{,}3 = 0{,}394\ \text{g}, de la que el magnesio es la fracción 24,3/84,324{,}3/84{,}3.)
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
d) Los cuatro compuestos en negrita.
En el textoRespuesta
óxido de hierro(III)Fe2O3\text{Fe}_2\text{O}_3
MgCl2\text{MgCl}_2cloruro de magnesio
MgCO3\text{MgCO}_3carbonato de magnesio
fosfato de magnesioMg3(PO4)2\text{Mg}_3(\text{PO}_4)_2
3

Consejo

En a) no basta con decir "los de potencial negativo": el hierro también lo tiene (−0,04-0{,}04). La comparación es frente al hierro, no frente al cero.

En b) el olvido más frecuente es el factor 2 de los electrones (Mg2+\text{Mg}^{2+}), que hace que la intensidad salga la mitad de lo debido. Y pasa el tiempo a segundos: un día son 86400 s, no 24.

En c), no confundas la solubilidad ss (mol·L⁻¹) con la masa disuelta: hay que multiplicar por el volumen y por la masa atómica. Fíjate además en que la pregunta pide la masa de magnesio, no la de MgCO3\text{MgCO}_3: usa 24,324{,}3, no 84,384{,}3.
Paso 1 de 3
¿Lo has intentado? Con una cuenta marcas hasta dónde llegaste y te proponemos qué repasar después.
Sigue practicando
Electrólisis y leyes de Faraday
Se pasa una corriente eléctrica continua a través de NaBr\text{NaBr} fundido para generar Na\text{Na} y Br2\text{Br}_2…
Química · Andalucía · 2025 · Reserva 3Electrólisis y leyes de Faraday
Queremos platear electroquímicamente una tetera con 15 g15\ \text{g} de plata haciendo pasar una corriente de 5 A5\ \text{A}…
Química · Andalucía · 2025 · Reserva 3Electrólisis y leyes de Faraday
El magnesio se obtiene por electrólisis de MgCl2\text{MgCl}_2 fundido. Basándose en las semirreacciones correspondientes…
Química · Andalucía · 2025 · Reserva 2Electrólisis y leyes de Faraday
Bloque C · C4. En una cuba se electroliza CaCl2\text{CaCl}_2 fundido. Basándose en las semirreacciones correspondientes…
Química · Andalucía · 2024 · Reserva 3
Apuntes y todos los problemas de Reacciones redox y electroquímica →