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Problema resuelto de Química: Pilas galvánicas y potencialesSelectividad (PAU) · País Vasco 2026 · Julio

Enunciado

Un estudiante de química desea construir una pila galvánica en el laboratorio utilizando electrodos de aluminio y cobre sumergidos en disoluciones de sus respectivas sales (sulfato de aluminio y sulfato de cobre(II), ambas 1 M). Dispone también de un puente salino de nitrato de potasio. Datos:

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

;

E^\circ(\text{Al}^{3+}/\text{Al}) = -1{,}66\ \text{V}

.

a) Dibujar un esquema detallado de la pila, identificando todos sus componentes. Escribir las semirreacciones que tienen lugar en cada electrodo y la reacción global. (1 punto)

b) Calcular la fuerza electromotriz estándar de esta pila y escribir la notación de la pila según las normas de la IUPAC. (0,5 puntos)

c) Explicar la función del puente salino y predecir hacia dónde migrarán los iones K⁺ y NO₃⁻ durante el funcionamiento de la pila. (0,5 puntos)

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Resultado

a) Ánodo (−):

\text{Al} \rightarrow \text{Al}^{3+} + 3e^-

; cátodo (+):

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

; global:

2\,\text{Al} + 3\,\text{Cu}^{2+} \rightarrow 2\,\text{Al}^{3+} + 3\,\text{Cu}

.

b)

E^\circ = +2{,}00

\text{Al}\,|\,\text{Al}^{3+}(1\,\text{M})\,\|\,\text{Cu}^{2+}(1\,\text{M})\,|\,\text{Cu}

.

c) El puente cierra el circuito y mantiene la neutralidad; los K⁺ van al cátodo (Cu) y los NO₃⁻ al ánodo (Al).

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

En una pila se reduce la especie del par con mayor potencial de reducción (cátodo, polo positivo) y se oxida el metal del par con menor potencial (ánodo, polo negativo). Aquí el Cu²⁺ (

+0{,}34

V) se reduce y el Al (

-1{,}66

V) se oxida.

Con eso se dibuja el montaje, se escriben las semirreacciones (igualando electrones para la global), se calcula

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

y se razona hacia dónde deben moverse los iones del puente para mantener neutras las dos disoluciones.

Desarrollo

a) Quién se oxida y quién se reduce. Como

E^\circ(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) = +0{,}34\ \text{V} > E^\circ(\text{Al}^{3+}/\text{Al}) = -1{,}66\ \text{V}

, el Cu²⁺ tiene más tendencia a reducirse y el Al a oxidarse.

Esquema de la pila. Se dibujan dos vasos:

A la izquierda, una lámina de aluminio (ánodo, polo −) sumergida en una disolución 1 M de sulfato de aluminio, Al₂(SO₄)₃.
A la derecha, una lámina de cobre (cátodo, polo +) sumergida en una disolución 1 M de sulfato de cobre(II), CuSO₄.
Un puente salino (tubo en U con disolución de KNO₃, con tapones porosos) que une las dos disoluciones.
Un cable que une los dos electrodos por fuera, con un voltímetro (o una bombilla); los electrones circulan por el cable del Al al Cu (flecha de izquierda a derecha).
En el puente se indica que los K⁺ van hacia el vaso del cobre y los NO₃⁻ hacia el del aluminio.

Ánodo (−), oxidación:

\text{Al}\,(s) \rightarrow \text{Al}^{3+}\,(aq) + 3\,e^-

Cátodo (+), reducción:

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

Reacción global. Se iguala el número de electrones (6): la oxidación por 2 y la reducción por 3:

2\,\text{Al}\,(s) + 3\,\text{Cu}^{2+}\,(aq) \rightarrow 2\,\text{Al}^{3+}\,(aq) + 3\,\text{Cu}\,(s)

Con el electrodo de aluminio disolviéndose y cobre depositándose sobre el electrodo de cobre.

b) Fuerza electromotriz. Los potenciales son intensivos: no se multiplican por los coeficientes.

E^\circ_{\text{pila}} = E^\circ_{\text{cátodo}} - E^\circ_{\text{ánodo}} = 0{,}34 - (-1{,}66) = +2{,}00\ \text{V}

Notación IUPAC. El ánodo a la izquierda, el cátodo a la derecha; una barra separa fases y la doble barra es el puente salino:

\text{Al}\,(s)\,|\,\text{Al}^{3+}\,(aq,\ 1\ \text{M})\,\|\,\text{Cu}^{2+}\,(aq,\ 1\ \text{M})\,|\,\text{Cu}\,(s)

c) Función del puente salino. Cierra el circuito por el interior de la pila permitiendo el paso de iones entre las dos semiceldas sin que se mezclen las disoluciones, y mantiene cada disolución eléctricamente neutra. Sin él, en seguida se acumularía carga y el paso de electrones por el cable se detendría.

Migración de los iones.

En el ánodo se forman iones Al³⁺, así que esa disolución tiende a cargarse positivamente: hacia ella migran los NO₃⁻ (aniones → hacia el ánodo, vaso del aluminio).
En el cátodo desaparecen iones Cu²⁺, así que esa disolución tiende a quedar con exceso de carga negativa (sobran SO₄²⁻): hacia ella migran los K⁺ (cationes → hacia el cátodo, vaso del cobre).

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

Consejo

En el esquema, el corrector busca todos los componentes rotulados: los dos electrodos con sus disoluciones, el puente salino, el cable, el sentido de los electrones y qué electrodo es ánodo (−) y cuál cátodo (+). Y recuerda que al multiplicar una semirreacción para igualar electrones el potencial no se multiplica.

Paso 1 de 3

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