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Problema resuelto de Química: Pilas galvánicas y potencialesSelectividad (PAU) · País Vasco 2025 · Junio

Enunciado

Se desea construir una pila Daniell en el laboratorio:

a) Dibujar un esquema de la pila, nombrar los distintos elementos, escribir las reacciones que tienen lugar en los electrodos e indicar los reactivos necesarios. (0,75 puntos)

b) Explicar la función del puente salino. (0,25 puntos)

c) Si se sustituye el electrodo

\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}

con uno de

\text{Pb}^{2+}/\text{Pb}

, ¿cuál será la fuerza electromotriz? ¿Será mayor o menor que la de la pila original? Datos:

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

;

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

;

E^0(\text{Pb}^{2+}/\text{Pb}) = -0{,}13\ \text{V}

. (0,5 puntos)

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Resultado

a) Ánodo (−): Zn en

\text{ZnSO}_4

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

. Cátodo (+): Cu en

\text{CuSO}_4

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

. Unidos por un hilo conductor y un puente salino (KCl).

b) Cierra el circuito y mantiene la neutralidad eléctrica de las semipilas sin mezclarlas.

c)

E^0 = 0{,}47

V, menor que los 1,10 V de la pila Daniell.

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

La pila Daniell aprovecha la reacción espontánea entre el cinc y los iones cobre(II), pero separando los dos procesos en dos vasos para que los electrones tengan que ir por un cable. El electrodo de menor potencial de reducción (Zn) se oxida y es el ánodo; el de mayor potencial (Cu) es el cátodo.

La fuerza electromotriz es

E^0 = E^0_{\text{cátodo}} - E^0_{\text{ánodo}}

; al cambiar el ánodo por otro de potencial más alto, la diferencia entre los dos electrodos se reduce.

Desarrollo

a) Esquema de la pila

Se dibujan dos vasos de precipitados:

A la izquierda, una lámina de cinc sumergida en una disolución de $\text{ZnSO}_4$ (1 M): es el ánodo, el polo negativo.
A la derecha, una lámina de cobre sumergida en una disolución de $\text{CuSO}_4$ (1 M): es el cátodo, el polo positivo.
Las dos láminas se unen por fuera con un hilo conductor (con un voltímetro en medio), por el que los electrones van del Zn al Cu.
Las dos disoluciones se unen con un puente salino: un tubo en U lleno de una disolución de una sal inerte (KCl o $\text{KNO}_3$ ) y tapado con algodón.

Reacciones en los electrodos.

Ánodo (oxidación): $\text{Zn}(s) \rightarrow \text{Zn}^{2+}(aq) + 2\,\text{e}^-$
Cátodo (reducción): $\text{Cu}^{2+}(aq) + 2\,\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}(s)$
Reacción global: $\text{Zn}(s) + \text{Cu}^{2+}(aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+}(aq) + \text{Cu}(s)$

En notación de pila:

\text{Zn}(s)\,|\,\text{Zn}^{2+}(aq)\,||\,\text{Cu}^{2+}(aq)\,|\,\text{Cu}(s)

.

Reactivos y material necesarios. Una lámina de Zn y otra de Cu; disoluciones de

\text{ZnSO}_4

y de

\text{CuSO}_4

; una disolución de una sal inerte (KCl o

\text{KNO}_3

) para el puente salino; dos vasos, el tubo en U, cables y un voltímetro.

b) Función del puente salino

Cierra el circuito: permite el contacto eléctrico entre las dos semipilas mediante el movimiento de iones.
Mantiene la neutralidad eléctrica de cada disolución: en el ánodo se acumulan cationes $\text{Zn}^{2+}$ , y hacia allí migran aniones del puente; en el cátodo desaparecen $\text{Cu}^{2+}$ , y hacia allí migran cationes. Sin él, las cargas se acumularían y la pila dejaría de funcionar enseguida.
Evita que las dos disoluciones se mezclen.

c) Fuerza electromotriz de las dos pilas

Pila original (Zn ánodo, Cu cátodo):

E^0 = E^0_{\text{cátodo}} - E^0_{\text{ánodo}} = 0{,}34 - (-0{,}76) = 1{,}10\ \text{V}

Con plomo en lugar de cinc, el Pb (−0,13 V) sigue teniendo menor potencial que el Cu, así que es el ánodo:

E^0 = 0{,}34 - (-0{,}13) = 0{,}47\ \text{V}

La fuerza electromotriz es menor que la de la pila original: el plomo tiene menos tendencia a oxidarse que el cinc, y los dos electrodos quedan más cerca en la serie de potenciales.

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

Consejo

En el esquema marca siempre el ánodo y el cátodo con su signo, el sentido de los electrones por el cable y qué hay en cada vaso. Un truco para no confundirte: en el ánodo hay oxidación (vocales) y en el cátodo, reducción (consonantes).

Paso 1 de 3

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