Pilas, potenciales y espontaneidad
En la feria de ciencias de un centro escolar de Santa Tecla, Fátima clava un clavo galvanizado y una moneda de cobre en un limón, conecta tres limones con cables y enciende un reloj digital pequeño. ¿De dónde sale esa energía? Si separás las dos semirreacciones en recipientes distintos y las unís con un cable, los electrones tienen que recorrer un circuito externo, y esa corriente es la que se aprovecha. ¿Cuánta tensión se puede obtener y cómo se predice?
La celda galvánica: ánodo, cátodo y fem
Ponés 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 dé trabajo eléctrico en vez de solo calor?
Se dispone de una pila galvánica Daniell formada por un electrodo de zinc sumergido en una disolución $1.0\text{ M}$ de $\mathrm{ZnSO_4}$ y un electrodo de cobre…
Se dispone de una pila galvánica Daniell formada por un electrodo de zinc sumergido en una disolución $1.0\text{ M}$ de $\mathrm{ZnSO_4}$ y un electrodo de cobre sumergido en una disolución $1.0\text{ M}$ 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.
Electrolitos y conductividad
En el laboratorio, Daniela arma un circuito con un foco y dos clavos dentro de un vaso. Con agua destilada el foco no enciende; con sal de mesa disuelta enciende; con más sal, brilla más. ¿Por qué cambia?
La corriente en una solución la llevan los iones, no los electrones. Cuanta más concentración de un electrolito, más iones por litro hay para transportar carga y mayor es la conductividad. Un electrolito fuerte (como el NaCl) se separa casi por completo en iones; uno débil (como el ácido cítrico del limón) lo hace solo en parte, y conduce menos a igual concentración.
Se dispone de una pila galvánica Daniell formada por un electrodo de zinc sumergido en una disolución $1.0\text{ M}$ de $\mathrm{ZnSO_4}$ y un electrodo de cobre…
Se dispone de una pila galvánica Daniell formada por un electrodo de zinc sumergido en una disolución $1.0\text{ M}$ de $\mathrm{ZnSO_4}$ y un electrodo de cobre sumergido en una disolución $1.0\text{ M}$ 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.
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.
La energía eléctrica que entrega una celda es el trabajo útil máximo de la reacción, y eso es justamente lo que mide ΔG.
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 $0\ \mathrm{V}$. Al poner un tubo con solución salina entre ambos líquidos, la aguja se estabiliza en $1.10\ \mathrm{V}$. ¿Por qué hace falta ese tubo?
En el laboratorio se monta una celda galvánica Daniell a $25\text{ }^\circ\mathrm{C}$ con electrodos metálicos de cinc y cobre sumergidos en disoluciones 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 disoluciones 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) Determina la fuerza electromotriz estándar de la pila y señala el sentido correcto de circulación de electrones por el conductor metálico externo.
- b) Explica 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 disolución.
Predicción de reacciones espontáneas con la serie de potenciales
Echás virutas de cinc en ácido clorhídrico $1\ \mathrm{M}$ y burbujea hidrógeno; una moneda de cobre en el mismo ácido no hace nada. ¿Qué propiedad medible decide qué metales ceden electrones a los $\mathrm{H^+}$?
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: $F = 96485\text{ C}\times\text{mol}^{-1}$.
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 $F = 96485\text{ C}\times\text{mol}^{-1}$.
- a) Determiná qué metales de la lámina se disolverán espontáneamente en una disolución 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 disolución 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 disolución, 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.
Una celda casera: limón o papa
Un limón no tiene electricidad guardada: es el electrolito. Con dos metales distintos se arma una celda galvánica casera.
Se dispone de una pila galvánica Daniell formada por un electrodo de zinc sumergido en una disolución $1.0\text{ M}$ de $\mathrm{ZnSO_4}$ y un electrodo de cobre…
Se dispone de una pila galvánica Daniell formada por un electrodo de zinc sumergido en una disolución $1.0\text{ M}$ de $\mathrm{ZnSO_4}$ y un electrodo de cobre sumergido en una disolución $1.0\text{ M}$ 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.
Ecuación de Nernst (avanzado)
El valor $E^\circ$ vale solo para $1\ \mathrm{M}$. Cuando una celda se gasta, las concentraciones cambian y la tensión baja. A $25\ ^\circ\mathrm{C}$:
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: $F = 96485\text{ C}\times\text{mol}^{-1}$.
Volvé al principio: en la celda de limón de Fátima, el clavo galvanizado (cinc) y el cobre separan las semirreacciones y los electrones recorren el cable. En condiciones estándar $E^\circ_{\text{celda}} = 0.34 - (-0.76) = +1.10\ \mathrm{V}$; en el limón cada celda da menos, y por eso conectó tres en serie para encender el reloj.