Pilas, potenciales y espontaneidad
Si metés una lámina de cinc en una solución de sulfato de cobre(II), el cobre se deposita sobre el cinc y lo único que obtenés es calor. Pero si separás las dos hhemirreacciones en recipientes distintos y las conectás con un cable, los mismos electrones tienen que recorrer un circuito externo: esa corriente es la que aprovecha una pila. ¿Cuánta tensión puede dar? ¿Y cómo sabemos, sin hacer el experimento, si una reacción redox va a ocurrir?
La celda galvánica: ánodo, cátodo y fuerza electromotriz
Introducís una lámina de cinc en una solución azul de sulfato de cobre(II): a los pocos minutos el cinc se recubre de un depósito rojizo, el azul palidece y el vaso se calienta. ¿Cómo hacemos para que esa transferencia de electrones circule por un cable y nos dé trabajo eléctrico en vez de solo calor?
Se dispone de una pila galvánica Daniell formada por un electrodo de cinc sumergido en una solución $1{,}0\text{ M}$ de $\mathrm{ZnSO_4}$ y un electrodo de cobre…
Se dispone de una pila galvánica Daniell formada por un electrodo de cinc sumergido en una solución $1{,}0\text{ M}$ de $\mathrm{ZnSO_4}$ y un electrodo de cobre sumergido en una solución $1{,}0\text{ M}$ de $\mathrm{CuSO_4}$, a $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$. Los potenciales estándar de reducción son $E^\circ(\mathrm{Zn}^{2+}/\mathrm{Zn}) = -0{,}76\text{ V}$ y $E^\circ(\mathrm{Cu}^{2+}/\mathrm{Cu}) = +0{,}34\text{ V}$.
- a) Escribí la notación convencional o diagrama de la pila indicando el ánodo y el cátodo.
- b) Indicá el signo o polaridad asignado a cada electrodo y justificá brevemente qué semirreacción se produce en cada uno.
Notación de pilas y cálculo de la fem
Para no dibujar la pila completa cada vez, se la representa con una notación abreviada.
Considerá una celda galvánica en condiciones estándar ($25\text{ }^\circ\mathrm{C}$, concentraciones $1{,}0\text{ M}$) basada en la reacción global:…
Considerá una celda galvánica en condiciones estándar ($25\text{ }^\circ\mathrm{C}$, concentraciones $1{,}0\text{ M}$) basada en la reacción global: $\mathrm{Cu(s)} + 2\,\mathrm{Ag^+}(\text{aq}) \rightarrow \mathrm{Cu}^{2+}(\text{aq}) + 2\,\mathrm{Ag(s)}$. Datos: $E^\circ(\mathrm{Ag}^+/\mathrm{Ag}) = +0{,}80\text{ V}$ y $E^\circ(\mathrm{Cu}^{2+}/\mathrm{Cu}) = +0{,}34\text{ V}$.
- a) Calculá la fuerza electromotriz estándar de la pila, $E^\circ_{\text{pila}}$.
- b) Justificá detalladamente por qué el potencial estándar de reducción del par $\mathrm{Ag}^+/\mathrm{Ag}$ no debe multiplicarse por el coeficiente estequiométrico 2 al calcular la fem de la celda.
El puente salino y el sentido de la corriente
Armás dos recipientes con electrodos de cinc y cobre, unidos por un cable y un voltímetro. La aguja marca un instante y cae a $0\ \mathrm{V}$. Pero si colocás un tubo con solución salina entre ambos líquidos, la aguja se estabiliza en $1{,}10\ \mathrm{V}$. ¿Por qué el puente hace falta, si los electrones ya tienen el cable?
En el laboratorio se monta una celda galvánica Daniell a $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$ con electrodos metálicos de cinc y cobre sumergidos en soluciones acuosas…
En el laboratorio se monta una celda galvánica Daniell a $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$ con electrodos metálicos de cinc y cobre sumergidos en soluciones acuosas $1{,}0\text{ M}$ de sus respectivos cationes, conectadas mediante un puente salino de $\mathrm{KNO_3}$. El esquema del montaje experimental se muestra a continuación:
Datos: $E^\circ(\mathrm{Zn}^{2+}/\mathrm{Zn}) = -0{,}76\text{ V}$; $E^\circ(\mathrm{Cu}^{2+}/\mathrm{Cu}) = +0{,}34\text{ V}$.
- a) Determiná la fuerza electromotriz estándar de la pila y señalá el sentido correcto de circulación de electrones por el conductor metálico externo.
- b) Explicá qué especie transporta la carga a través del puente salino y hacia qué vaso migran respectivamente los iones $\mathrm{K^+}$ y $\mathrm{NO_3^-}$, indicando por qué no circulan electrones por la solución.
Predicción de reacciones con la serie electroquímica
Echás virutas de cinc en ácido clorhídrico $1\ \text{M}$ y hay un burbujeo de hidrógeno. Una moneda de cobre en el mismo ácido no hace nada. ¿Qué propiedad medible decide qué metales ceden electrones a los iones $\mathrm{H^+}$ y cuáles no?
Se dispone de disoluciones acuosas que contienen iones cloruro ($\mathrm{Cl^-}$), bromuro ($\mathrm{Br^-}$) y yoduro ($\mathrm{I^-}$), todas a concentración…
Se dispone de disoluciones acuosas que contienen iones cloruro ($\mathrm{Cl^-}$), bromuro ($\mathrm{Br^-}$) y yoduro ($\mathrm{I^-}$), todas a concentración $1{,}0\text{ M}$ y a $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$. Se desea seleccionar un agente oxidante en su estado estándar que sea capaz de oxidar espontáneamente el ion yoduro a yodo molecular ($\mathrm{I_2}$), y el ion bromuro a bromo líquido ($\mathrm{Br_2}$), pero que no oxide el ion cloruro a cloro gas ($\mathrm{Cl_2}$).
Datos de potenciales estándar de reducción a $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$:
$E^\circ(\mathrm{I_2}/\mathrm{I^-}) = +0{,}54\text{ V}$; $E^\circ(\mathrm{Br_2}/\mathrm{Br^-}) = +1{,}07\text{ V}$; $E^\circ(\mathrm{Cl_2}/\mathrm{Cl^-}) = +1{,}36\text{ V}$.
Candidatos a oxidante: $\mathrm{Fe}^{3+}(\text{aq})$ con $E^\circ(\mathrm{Fe}^{3+}/\mathrm{Fe}^{2+}) = +0{,}77\text{ V}$; $\mathrm{IO_3^-}(\text{aq})/\mathrm{I_2(s)}$ en medio ácido con $E^\circ = +1{,}20\text{ V}$; $\mathrm{MnO_4^-}(\text{aq})/\mathrm{Mn}^{2+}(\text{aq})$ en medio ácido con $E^\circ = +1{,}51\text{ V}$.
- a) Seleccioná el agente oxidante idóneo justificando la respuesta comparando los potenciales de los candidatos y calculando $E^\circ$ y $\Delta G^\circ$ de la reacción del oxidante elegido con cada haluro, con coeficientes enteros mínimos.
- b) Escribí la reacción global ajustada que tiene lugar entre el oxidante seleccionado y el ion bromuro en medio ácido. Dato: $F = 96485\text{ C}\cdot\text{mol}^{-1}$.
Se introduce una lámina metálica que contiene una mezcla de cadmio, plata y hierro en disoluciones de ácidos y sales a $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$ para evaluar…
Se introduce una lámina metálica que contiene una mezcla de cadmio, plata y hierro en disoluciones de ácidos y sales a $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$ para evaluar reacciones de desplazamiento.
Datos: $E^\circ(\mathrm{Ag}^+/\mathrm{Ag}) = +0{,}80\text{ V}$; $E^\circ(\mathrm{H}^+/\mathrm{H_2}) = 0{,}00\text{ V}$; $E^\circ(\mathrm{Pb}^{2+}/\mathrm{Pb}) = -0{,}13\text{ V}$; $E^\circ(\mathrm{Cd}^{2+}/\mathrm{Cd}) = -0{,}40\text{ V}$; $E^\circ(\mathrm{Fe}^{2+}/\mathrm{Fe}) = -0{,}44\text{ V}$. Constante $F = 96485\text{ C}\cdot\text{mol}^{-1}$.
- a) Determiná qué metales de la lámina se disolverán espontáneamente en una solución acuosa $1{,}0\text{ M}$ de ácido clorhídrico ($\mathrm{HCl}$) liberando gas hidrógeno en condiciones estándar, y escribí las reacciones correspondientes.
- b) Si se sumerge un trozo de hierro metálico puro en una solución que contiene iones $\mathrm{Pb}^{2+}$ y $\mathrm{Cd}^{2+}$, ambos a concentración estándar $1{,}0\text{ M}$, razoná cuantitativamente si el hierro desplazará a uno, a ambos o a ninguno de dichos cationes de la solución, calculando la fem estándar y $\Delta G^\circ$ de los procesos que sean espontáneos. Usá el modelo termodinámico de potenciales estándar, sin oxígeno disuelto, complejación ni pasivación; la predicción no informa de la velocidad real.
Pila y precipitación: un problema integrado
Cuando un problema combina varios modelos, resolvé uno por vez: primero la reacción redox y su potencial, después el equilibrio de precipitación.
Volvé al principio: al separar las hemirreacciones del cinc y del cobre con un conductor externo y un puente salino, la pila entrega $E^\circ_{\text{pila}} = 0{,}34 - (-0{,}76) = +1{,}10\ \mathrm{V}$, y para saber si una reacción redox ocurre alcanza con comparar los $E^\circ$ de los pares.