EJERCICIOS RESUELTOS DE ELECTROQUIMICA 1.- a) Define el concepto electrnico de oxidacin y de reduccin. b) Indique cul o cules de las semirreacciones siguientes: ClO2- = Cl-; S = SO42-; Fe2+ = Fe3+ corresponden a una oxidacin y cul o cules auna reduccin. c) Indica la variacin del nmero de oxidacin del cloro, hierro y azufre. Solucin: a)Oxidacinestodoprocesoqumicoenelqueunaespeciequmicapierdeelectrones.Porel contrario, reduccin es todo proceso qumico en el que una especie qumica gana electrones. Ambosprocesossedansimultneamente:loselectronesquecedeunelementosoncaptadospor otro. c) Las reacciones (2) y (3) son procesos de oxidacin ya que en ellos se pierden electrones. Estehechoseobservaalcompararlosnmerosdeoxidacindeloscompuestosqueintegranla reaccin. As, el azufre en la reaccin (2) pasa de tener un nmero de oxidacin 0 por ser un elemento a tener +6 como nmero de oxidacin, con lo que ste aumenta en seis unidades. Asimismo, en la reaccin (3), el hierro pasa de in hierro 2+ a in hierro 3+ (aumenta su nmero de oxidacin en una unidad, lo cual quiere decir que ha perdido un electrn. Por otro lado, el cloro en la reaccin (1) pasa de tener como nmero de oxidacin +3 a1, lo cual quiere decir que ha ganado cuatro electrones, esto es, ha sufrido una reduccin. 2.-TrescubaselectrolticasconectadasenseriecontienendisolucionesacuosasdeAgNO3la primera,deCd(NO3)2lasegundaydeZn(NO3)2latercera.Cuandolastrescubasson atravesadas por la misma cantidad de corriente, justifique si sern ciertas o no las siguientes afirmaciones: a) En el ctodo se depositar la misma masa en las tres cubas. b) En las cubas segunda y tercera se depositar el doble nmero de equivalente-gramo que en la primera. c) En las cubas segunda y tercera se depositarn la misma cantidad de sustancia. Solucin 3: a) Falso. Esta afirmacin no es cierta, pues segn las leyes de Faraday: Al ser I1=I2=I3 se deposita en cada una de las cubas el mismo n de equivalentes-gramo. neq-g = Matmica / n de e- intercambiados Losmetalesimplicadostienendistintamasaatmica,yademselinAg+intercambiaune- mientras que los otros dos iones intercambian 2 e-, segn las semirreacciones: Ag+ + 1e- Ag Cd2+ + 2e- Cd Zn2+ + 2e- Zn Por lo tanto, las masas depositadas en las tres cubas sern distintas. b) Falso. Esta afirmacin tampoco es verdadera, pues al pasar por las tres cubas la misma intensidad decorrienteduranteelmismotiempo,elnmerodeequivalentesdepositadoseselmismoenlas tres. Recordemos, el n de eq.-g. depositados es proporcional a la cantidad de electricidad utilizada. c) Cierto. Esta afirmacin es verdadera, pues la cantidad de sustancia se expresa en moles: ElCd(NO3)2yelZn(NO3)2tienenlamismavalenciaelectroqumica(intercambian2e-)ycomo ademslaIdecorrienteeslamismaenambascubas,sedepositaenellaselmismonde equivalentes, y por consiguiente el mismo n de moles. 3.- En medio cido sulfrico, el KMnO4 oxida al Fe2+ a Fe3+ pasando a Mn2+. a) Ajuste la ecuacin inica por el mtodo del ion electrn. b)CuntosgramosdeKMnO4senecesitanparaoxidaralFe2+contenidoen2,5gde FeSO4?. Datos: Masas atmicas: O=16; S=32; K=39; Mn=55; Fe=56 Solucin: a)Lasdossemirreaccionessernyaajustadaslassiguientes,ysumndolasobtenemoslareaccin global, tambin ajustada: b) Se trata de un clculo basado en la valoracin redox. Para deducir los moles del reductor ( Mm = 152): 2,5 / 152 = 1,64 10-2 moles de FeSO4N eq oxidante = N eq reductor Segn la ecuacin ajustada, para oxidar 5 moles de FeSO4, se necesita 1 mol de KMnO4 (cuyo Mm = 158), por lo que: 5 / 158 = 1,64 10-2 / x x = 0,52 g de KMnO4 4.- Dadas las siguientes reacciones: a) CO + 2 H2 ----------------> CH3OH b) HCl + NaOH -------------->NaCl + H2O c) 2 H2S + SO2 ------------------> 3 S + 2 H2O Justifique si son redox o no y, en caso afirmativo, indique qu elementos se oxidan y cules se reducen. Solucin: a) CO + 2 H2 --------------> CH3OH CO : n oxidacin del C (+2) n de oxidacin del O (-2) H2 : n de oxidacin (0) CH3OH : n oxidacin del C (-2) n oxidacin del O (-2) n oxidacin del H (+1) Es una reaccin redox, ya que cambia el n de oxidacin del carbono y del hidrgeno El C pasa de estado de oxidacin (+2) a (-2) por lo tanto se reduce. El H pasa de estado de oxidacin (0) a (+1) por lo tanto se oxida. b) HCl + NaOH -----------> NaCl + H2O HCl : n oxidacin del H (+1) n oxidacin del Cl ( -1) NaOH : n oxidacin del Na (+1) n oxidacin O (-2) n oxidacin H (+1) NaCl : n oxidacin Na (+1) n oxidacin Cl (-1) H2O : n oxidacin H (+1) n oxidacin O (-2) No es una reaccin redox, ya que no cambia el n de oxidacin De ningn elemento elemento. c) 2H2S + SO2 ----------> 3S + 2H2O H2S : n oxidacin H (+1) n oxidacin S (-2) SO2 : n oxidacin S (+4) n oxidacin O (-2) S : n oxidacin (0) H2O : n oxidacin H (+1) n oxidacin O (-2) Es una reaccin redox, ya que cambian los n de oxidacin del S El S del H2S (-2) pasa a S (0), por lo tanto se oxida El S del SO2 (+4) pasa a S (0), por lo tanto se reduce. 5.- Dados los potenciales normales de reduccin de los pares: Eo(Cu+/Cu)=0,52V;Eo(Co2+/Co)=-0,28V;Eo(Mn2+/Mn)=-1,19VEo(Hg2+/Hg)= 0,85 V a) Escriba la notacin de la pila que presenta la mayor f.e.m y calcule su valor. b) Escriba la notacin de la pila que presenta la menor f.e.m y calcule su valor. Solucin: Paracalcularelpotencialnormaldeunapilaof.e.m.serestanlospotencialesdelctodoydel nodo y el resultado ha de ser positivo, si no es as la reaccin no sera espontanea. E pila = E catodo E nodo a) Se comprueba que los electrodos utilizados para conseguir la pila de mayor f.e.m. son Hg y Mn, siendo el Hg2+ la especie con ms tendencia a reducirse. La notacin de la pila ser: nodo (-) Mn/Mn2+ // Hg+2 / Hg Ctodo (+) Las semirreacciones que se producen son: Ctodo (reduccin): Hg2+ + 2e- ----------> Hg nodo (oxidacin): Mn ----------> Mn2+ + 2e- Pila: Mn + Hg2+ -----------> Hg + Mn2+ E = 0,85 + 1,19 = 2,04 V b) Por el contrario la pila de menor f.e.m. utiliza electrodos de Cu y Hg. La notacin de la pila es: nodo (-) Cu / Cu+ // Hg+2 / Hg Ctodo (+) Las dos semirreacciones que se producen son: Ctodo Hg2+ + 2e- -----------> Hg nodo 2[ Cu ----------> Cu+ + e-] Pila: Hg2+ + 2 Cu ----------> Hg + 2 Cu+E = 0,85 0,52 = 0,33 V 6.- Dada la siguiente reaccin redox en disolucin acuosa: KI + KMnO4 + H2SO4 -------------> I2 + MnSO4 + K2SO4 + H2O a) Ajustar la reaccin por el mtodo del in-electrn. b) Calcule los litros de disolucin 2 M de permanganato de potasio necesarios para obtener 1 Kg de yodo. Masas atmicas: I = 127; K = 39; O = 16; Mn = 55 Solucin: a)Enprimerlugar,secompruebalasespeciesquecambiandenmerodeoxidacin,yseplantea con ello las semirreacciones redo, de modo que se pueda ajustar la reaccin global: KI: el I tiene n oxid. = -1 I2: el I tiene n oxid. = 0 KMnO4: el Mn tiene n oxid. = +7 Mn2+: el Mn tiene n oxid. = +2 La reaccin molecular se ajusta tanteando los iones espectadores: 10 KI + 2 KMnO4 + 8 H2SO4 -----------> 5 I2 + 2 MnSO4 + 6 K2SO4 + 8 H2O Se ha de ajustar con sulfato de manganeso, puesto que el medio de reaccin es cido sulfrico. b) Segn el ajuste anterior observamos que 2 moles de permanganato potsico producen 5 moles de I2. Teniendo en cuenta la masa molar de este: Pm I2 = 254 g/mol n I2 = 1000 / 254 = 3,94 moles 2 moles KmnO4 --------------- 5 moles I2 x -------------------------------- 3,94 x = 1,57 moles KMnO4 Como se dispone de permanganato en forma de disolucin 2M se tiene que: n = V M V = n / M = 1,57 / 2 = 0,785 L de disolucin de KMnO4 7.-ElKClreaccionaconKMnO4,enmediocidosulfrico,paradarclorogaseosoy manganeso (II). a) Iguale la ecuacin molecular por el mtodo del in-electrn. b) Qu volumen de cloro, medido en condiciones normales, se puede obtener al tratar 20 g de cloruro de potasio con exceso de permanganato? Masas atmicas: Cl = 35,6; K = 39. Solucin: a)Hayqueverlasespeciesquecambiandenmerodeoxidacin,yplantearconellaslas semirreacciones redox, de modo que se pueda ajustar la reaccin global: KCl: el Cl tiene n oxid. = -1 Cl2 : el Cl tiene n oxid. = 0 KMnO4: el Mn tiene n oxid. = +7 Mn2+: el Mn tiene n oxid. = +2 La reaccin molecular se ajusta tanteando los iones espectadores: 10 KCl + 2 KMnO4 + 8 H2SO4--------> 5 Cl2 + 2 MnSO4 + 8 H2O + 6 K2SO4 Se ha de ajustar con sulfato de manganeso, puesto que el medio de reaccin es cido sulfrico. b) Se calculan los moles de cloruro de potasio presentes en los 20 g de la muestra: n KCl = 20 / 74,5 = 0,268 moles Yserecurrealareaccinajustadaparaverlarelacinestequiomtricaentrelosreactivosylos productos de la reaccin: 10 moles KCl ------------ 5 moles Cl2 0,268 ------------------------x x = 0,13 moles de Cl2 (gas) se obtienen. Como en condiciones normales un mol de cualquier gas ocupa 22,4 L, los 0,13 moles de Cl2 ocuparn: V = 0,13 22,4 = 3 L de Cl2 8.- Dados los potenciales normales de reduccin E ( Pb2+/ Pb) = - 0,13 V y E (Cu 2+ /Cu ) = 0,34 V:a) Escriba las semirreacciones y la reaccin ajustada de la pila formada.b)Calculesufuerzaelectromotrizeindiquequelectrodoactacomonodoyculcomo ctodo. Solucin: a)Latendenciadelareaccinlamarcanlospotencialesnormalesdereduccin.Elparredoxde mayor potencial de reduccin ser el de la semirreaccin de reduccin y el otro ser la oxidacin. En este caso el par con tendencia a reducirse ser el del cobre: Pb ----------> Pb2+ + 2e- Cu2+ + 2e- ------------> Cu Cu2+ + Pb --------> Cu + Pb2+ b)ElnodoeselelectrodoPbdondeseproducelaoxidacin,yelctodoeseldeCudondese produce la reduccin. Clculo de la fuerza electromotriz (f.e.m.) o potencial de la pila: Eo pila = Eo ctodo Eo nodo = 0,34 (-0,13) = 0,47 V 9.- El KMnO4, en medio cido sulfrico, reacciona con el H2O2 para dar MnSO4 , O2 , H2O y K2SO4 . a) Ajuste la reaccin molecular por el mtodo del in- electrn. b)QuvolumendeO2,medidoa1520mmHgy125C,seobtieneapartirde100gde KMnO4? R = 0,082 atm L / mol K Masas atmicas: C = 12; O = 16; K = 39; Mn = 55. Solucin: a) En primer lugar, se identifican las especies que cambian su nmero de oxidacin,y se plantean con ellas las semirreacciones de oxidacin- reduccin: KMnO4: Mn con +6. MnSO4: Mn con +2. H2O2: O con 2. O2: O con 0. Simplificando y pasando a la reaccin molecular, se tiene: 2 KMnO4 + 3 H2SO4 + 5 H2O2------------> 2 MnSO4 + 8 H2O + 5 O2 + K2SO4 b) En 100g de permanganato habr: moles de KMnO4 = 100 / 158 = 0,63 moles Por la estequiometra de la reaccin, se tiene: 2 moles de KMnO4--------------------- 5 moles de O2 0,63--------------------------------- x De donde: x = 1,58 moles de O2 se obtienen. Comoeloxgenoesun gas,seaplicalaecuacindelosgasesidealesparadeterminarelvolumen ocupado por l en las condiciones dadas: P V = n R T T = 125C = 398 k P = 1520 mm Hg = 2 atm V = (1,58 0,082 398) / 2 = 25,78 L de O2 10.- Una muestra de un metal se disuelve en cido clorhdrico, y se realiza la electrolisis de la disolucin.Cuandohanpasadoporlaclula3215C,seencuentraqueenelctodosehan depositado 1,74 g de metal. Calcule: a) La carga del in metlico. b) El volumen de cloro desprendido medido en condiciones normales. Datos: F = 96500 C; Masa atmica del metal = 157,2. Solucin: a) Las reacciones que tienen lugar en los dos electrodos son: Cl- -1e- --------->1/2 Cl2 oxidacin: nodo (+) Mn+ + n e-= M reduccin: ctodo (-) PorlasleyesdeFaradaysesabequelacantidaddemetaldepositadaenelctododeunacelda electroltica, es directamente proporcional a la carga que circula por ella: m = (P. equiv. / 96500) Q Siendo el P. equiv de una especie su masa atmica o molecularentreel nmero deelectrones que capta al reducirse: P. equiv. M = 157,2 / n Y sustituyendo los datos conocidos en la expresin de la ley de Faraday, se llega a: 1,74 = [(157,2 / n) / 96500] 3215 De donde se obtiene la carga del metal: n = 3 Luego su reaccin de reduccin sera: M3+ + 3 e- -----------> M b) La reaccin de electrolisis que tiene lugar, una vez conocida la carga del metal, es la siguiente: MCl3 . ---------> M + 3/2 Cl2 Por lo tanto, se sabe: Masa de M obtenida = 1,74 g Moles de M obtenidos = 1,74 / 157,2 = 0,011 moles 1 mol de MCl3 -----------1 mol de M ------------3/2 moles de Cl2 0,011 moles ------------------ x De donde se obtienen los moles de cloro gas desprendido en el nodo: X = 0,0165 moles de Cl2 Yporlaecuacindelosgasesideales,sedeterminaelvolumenocupado(a273Ky1atm)por dichos moles: P V = n R T 1 V = 0,0165 0,082 273 V de Cl2 = 0,37 L 11.-Dadas las siguientes reacciones: NaOH + HNO3--------->NaNO3 + H2O Cu + Cl2 ---------> CuCl2 CH4 + 2 O2 ------------> CO2 + 2 H2O a) Justifique si todas son de oxidacin-reduccin. b) Identifique el agente oxidante y el reductor donde proceda. Solucin: a)Unareaccindeoxidacinreduccin(redox)esaqullaenlaquedosespeciescambiansu nmero de oxidacin, de modo que una capte electrones (se reduzca), mientras que otra los pierda (se oxide) NaOH + HNO3 ----------> NaNO3 + H2O No es una reaccin redox. Cu + Cl2 ---------> CuCl2 S es una reaccin redox: Cu = 0 pasa a Cu = +2 Cl = 0 pasa a Cl = -1 CH4 + 2 O2 ---------> CO2 + 2 H2O No es una reaccin redox. b) Cu + Cl2 ---------> CuCl2 Cu = 0 pasa a Cu = +2, luego ha perdido electrones, se ha oxidado, y ser el reductor: Cu - 2e- --------> Cu2+ Cl = 0 pasa a Cl = -1, por lo que habr ganado un electrn, reducindose, es el oxidante: Cl2 + 2e- -----------> 2 Cl 12.- La siguiente reaccin redox tiene lugar en medio cido: MnO4- + Cl- + H+ ----------------> Mn2+ + Cl2 + H2O Indique razonando la respuesta, la veracidad o falsedad de las afirmaciones siguientes: a) El Cl- es el agente reductor. b) El MnO4- experimenta una oxidacin. c) En la reaccin debidamente ajustada, se forman tambin 4 moles de agua por cada mol de permanganato. Solucin: Las semirreacciones que tienen lugar sern: MnO4- + 8 H+ + 5 e- ---------------->Mn2+ + 4 H2O reduccin 2 Cl- -----------> Cl2 oxidacin a) Verdadero, si el Cl- se oxida ser el agente reductor. b)Falso,elinpermanganatoeselagenteoxidante,pueseslaespeciequetomaelectronesyse reduce. c)Verdadero,comoseobservadeajustarlasemirreaccindereduccinporelmtododelin- electrn. 13.- Dados los potenciales estndar de reduccin: E0(Cd2+/Cd) = - 0,40 y E0(Ag+/Ag) = + 0,80 voltios, justifique en que sentido se producir la reaccin: Ag+ + Cd = Ag + Cd2+Solucin: En una reaccin redox la especie qumica con mayor potencial de reduccin es la que se reduce y se denomina oxidante, y la especie de menor potencial de reduccin se oxida y se denomina reductor. E0 (Ag+/Ag) = + 0,80 voltios > E0 (Cd2+/Cd) = - 0,40 VOLTIOS De modo que la Ag+ se reduce y el Cd se oxida, por lo que la reaccin redox citada ser espontanea: Ag+ + Cd Ag + Cd2+E0 reaccin = 0,80 (-0,40 ) = 1,20 V > 0 14.- Ajuste las siguientes reacciones, identifique las especies oxidante yreductora, escriba las correspondientes semi-reacciones e indique el estado de oxidacin formal de todos los tomos: Br2 + KI = KBr + I2 Fe + O2 = Fe2O3 Solucin: Oxidante,especiequmicaquetienetendenciaacaptarelectrones(sereduce)ydisminuyesu nmero de oxidacin. El proceso en el que se captan electrones se denomina reduccin.Reductor,especiequmicaquetienetendenciaacederelectrones(seoxida)yaumentasunmero de oxidacin. El proceso en el que se ceden electrones se denomina oxidacin. 15.- Explique razonadamente si son ciertas o no cada una de las siguientes afirmaciones: a) El nmero de oxidacin del cloro en el ClO3- es 1. b) Un elemento se reduce cuando su nmero de oxidacin cambia de menos a ms negativo. c) Una especie se oxida cuando gana electrones. Solucin: a) Falsa. En el in dado, que es el clorato, el cloro tiene nmero de oxidacin +5. En todos los iones derivados de un oxcido los halgenos tienen nmero de oxidacin positivo. b)Verdadero.Enunareduccinseproduceunagananciadeelectrones,luegounaespeciecon nmero de oxidacin negativo, si gana electrones, pasar a tenerlo an ms negativo. Por ejemplo: P3- + 2 e- .-----------> P5- c) Falsa. Una oxidacin es una semirreaccin en la que se pierden electrones, luego una especie que se oxide perder electrones. 16)a)Utilizandolosvaloresdelospotencialesdereduccinestndar,indiquedeforma razonadasielcidontricoreaccionarconelcobremetalparadarionesCu2+ yxidode nitrgeno (II).b) Si el apartado anterior es afirmativo escriba la ecuacin inica, ajstela por el mtodo ion-electrn e indique el agente oxidante y el agente reductor.E( Cu2+/Cu) = 0,34 v y E(NO3-/NO) = 0,96 vSOLUCIN(a)Los potenciales de reduccin estndar nos proporcionan la siguiente informacin: Lospotencialesnormalesdereduccinpermitenpredecirsiunadeterminadareaccinqumicade oxidacin-reduccintienelugardeformaespontnea.Estoocurrirsiemprequeseapositivoel potencial de la pila formada por los dos pares electroqumicos de la reaccin:Epila = Ectodo - Enodo > 0En el nodo se produce la oxidacin y la reaccin es: 17.SabiendoqueelEred(Ag+/Ag)=0,80V,yelEred(Cu2+/Cu)=0,34V,justifiquesison vlidas, o no, las siguientes afirmaciones: a) El Cu reduce a la Ag+. b) El polo negativo de una pila formada por ambos electrodos sera Ag + /Ag. c) De las reacciones sealadas, el ion Ag+ es el oxidante ms fuerte. d) La reaccin 2 Ag + Cu2+ 2Ag+ + Cu se produce espontneamente. Solucin: En las pilas, los potenciales estndar de electrodo miden la tendencia relativa a la reduccin. En este caso, las dos semirreacciones de reduccin posibles son: Ag + + e- Ag E1 = + 0,80 V Cu2+ + 2 e- Cu E2 = + 0,34 V Puesto que el mayor potencial de reduccincorresponde al electrodo de plata, en ste tendr lugar dicho proceso, mientras que el cobre metlico sufrir la oxidacin. a)Verdadera.Puestoquelaplatatieneunpotencialdereduccinmayorserlaquesereduzca frente al cobre que se oxida. b)Falsa.Enelpolonegativoonodoseproducelaoxidacin.Porello,elnodoestaraformado por las especies Cu / Cu2+ . c)Verdadera.Yaqueelpotencialdereduccindelaplataesmayor,Ag+sereloxidantems fuerte. d)Falsa.UnprocesoredoxserespontneosiemprequeEpila>0.Enelcasopropuesto,las semirreacciones que deberan tener lugar son: 18.- Dados los siguientes potenciales estndar de reduccin: Ag+/Ag: 0,80 V; Mg2+/Mg: -2,37 V; Fe 2+/Fe: -0,44 V; Al3+/Al: -1,67 V; Ca2+/Ca: -2,87 V; Sn2+/Sn: -0,14 V a) Indicar cules de estos metales se oxidan ms fcilmente que el Fe y por qu. b)Justificarquespecieinicaeslamsfcildereduciryculeselreductormsfuertede entre todas las especies qumicas sealadas. c)Indicarqudoselectrodosdelossealadosformaranlapilaqueproporcionarmayor fem, cul actuara como nodo (polo negativo)? Solucin: a)Lospotencialesestndardereduccinexpresanlatendenciadeunaespecieareducirse,su carcteroxidante.Porlatantoseoxidanmsfcilmente(sonreductoresmsfuertes)lasespecies que tienen un potencial de reduccin ms bajo. Las que tienen un potencial ms bajo que el del Fe son: Al, Mg y Ca. b)Laespeciemsfcildereduciresaquellaconunpotencialdereduccinmsalto:Ag.El reductormsfuerteserelquetengamayortendenciaaoxidarsey,porlotanto,elquetengaun potencial de reduccin ms bajo: Ca. c) Los dos electrodos adecuados para formar la pila de mxima f.e.m. seran Ca2+/Ca y Ag+/Ag, ya quetienenlospotencialesdereduccinmsbajoymsalto,respectivamente.Elpolonegativo (nodo) lo formara el Ca, porque tiene mayor tendencia a oxidarse, es decir, a ceder electrones que seran atrados por la Ag (ctodo o polo +), que a su vez tiene tendencia a reducirse, por lo tanto, a captar electrones. 19.- Dados los potenciales normales estndar de reduccin de Cu2+ / Cu (0,34 V) y de Ag+ / Ag (0,80 V): a)Culserlareaccinespontneaquetendrlugarenunapilaformadaporestosdos electrodos?, por qu?. Calcule la f.e.m. estndar de la pila.b)Enqusentidoypordndecircularnloselectrones?,culeselcometidodelpuente salino?. Haga un esquema de dicha pila. Escriba la notacin de la pila. c)Establezcaladiferenciaentreelfuncionamientodeunapilaydeunacubaelectroltica. Solucin: a) E pila = E ctodo E nodo El ctodo deber ser el par con mayor valor de E reduccin, es decir el par Ag+/ Ag0, de modo que sea el Cu metlico el que se oxide a iones Cu2+, mientras los iones Ag+ son reducidos a plata metal, segn las reacciones: Cu - 2e- -------------> Cu2+ Oxidacin (Anodo) Ag+ + 1e- ---------------> Ag Reduccin, (Ctodo) La reaccin global ser, por tanto: Cu + 2 Ag+ -------------> Cu2+ + 2 Ag De modo que E pila = 0,80 - (-0,34) = 1,14 V b)Los electrones circularn del nodo (polo negativo) al ctodo (polo positivo), a travs del cable que mantiene los dos electrodos unidos elctricamente. El puente salino se encarga de mantener la unin inica entre los dos electrodos. La pila se nombrara: Cu (s) / Cu2+ (ac) // Ag+ (ac) / Ag (s) c) En las pilas se transforma la energa qumica en energa elctrica, producindose la oxidacin en el nodo (negativo) y la reduccin en el ctodo (positivo). Por el contrario, en una celda electroltica, se transforma la energa elctrica en energa qumica, la oxidacinsiguedndoseenelnodo,queahoraeselpolopositivo,ylareduccinenelctodo, ahora polo negativo. 20.-Paraplatearunapulseracolocadacomoctodo,sehacepasardurante2horasuna corriente de 0,5 amperios a travs de un litro de disolucin de nitrato de plata 0,1 M. Calcule: a) El peso de plata metlica depositada en la pulsera. b) La concentracin del in plata que queda finalmente en la disolucin. Datos: 1 F = 96500C; M. a. Ag = 107,8 Solucin: La reaccin que tiene lugar en el ctodo es la reduccin de in plata a plata metlica: Ag+ + 1 e- ----------> Ag Sesabe,porunadelasLeyesdeFaraday,quelacantidaddemasadepositadaenunelectrodoes directamenteproporcionalalaintensidadquecirculeporlacubaelectrolticayaltiempoquelo haga: m = (P equiv.Ag / 96500) I t Siendoelpesoequivalenteelcocienteentrelamasaatmicadedichasustanciayelnmerode electrones que toma en la reaccin de reduccin. Luego la plata depositada ser: m = [(107,8 / 1) / 96500] 0,5 (3600 2) = 4,021 g de plata b) La disolucin de partida es el nitrato de plata: AgNO3 Se tiene 1 L de concentracin 0,1 M, luego contendr: N = V M = 1 0,1 = 0,1 moles de nitrato de plata. Por tanto, se verificar: En 1 mol de AgNO3 --------------107,8 g de Ag 0,1-------------------x De donde: x = 10,78 g de plata hay en la disolucin inicial. La masa de plata que quede ser la diferencia entre la inicial y la depositada en la pulsera: m Ag restante = 10,78 - 4,021 = 6,76 g Como el volumen sigue siendo de 1 litro, y se conoce la masa que queda de in plata, se determina su molaridad: M = (6,76 / 107,8) / 1 = 0,06 M 21.- Dada la ecuacin: KMnO4 + K2SO3 + HCl------------>MnO2 + K2SO4 + KCl + H2O a)Deduzcarazonadamentelasustanciaoxidanteylareductora,laqueseoxidaylaquese reduce. b) Escriba y ajuste las semirreacciones de oxidacin- reduccin y la reaccin global. Solucin: a) y b) Se escriben las dos semirreacciones, que tendrn lugar en aqullas especies que cambien su nmero de oxidacin: KMnO4 : Mn con +7. MnO2 : Mn con +4. K2SO3 : S con +4. K2SO4 : S con +6. MnO4- + 4 H+ + 3 e- ------------------>MnO2 + 4 H2O ganancia de e- (reduccin) SO32- + H2O - 2 e-------------------> SO42- + 2 H+ prdida de e- (oxidacin) El reductor ser la especie que se oxida: el K2SO3. Y el oxidante la que se reduce: el KMnO4. La reaccin global sera el resultado de sumar la semirreaccin de reduccin multiplicada por 2 con la de oxidacin multiplicada por 3: 2 MnO4- + 8 H+ + 3 SO32- + 3 H2O ------------> 2 MnO2 + 4 H2O + 3 SO42- + 6 H+ Es decir, la reaccin molecular quedara: 2 KMnO4 + 3 K2SO3 + 2 HCl ------------> 2 MnO2 + 3 K2SO4 + 2 KCl + H2O 22.- En la reaccin siguiente: K2Cr2O7 + H2S + HCl ----------> CrCl3 + S + KCl + H2O a)Deduzcarazonadamenteculeslasustanciaoxidanteylareductora,laqueseoxidayla que se reduce. b) Escriba y ajuste las semirreacciones de oxidacin- reduccin, y la reaccin global. SOLUCIN a) y b) Se identifican las especies que cambian de nmero de oxidacin, y se plantean las dos semirreacciones redox: K2Cr2O7 : Cr = +6CrCl3: Cr = +3H2S: S = -2 S: S = 0 Luego la reaccin ajustada quedara: K2Cr2O7 + 3 H2S + 8 HCl= 2 CrCl3 + 3 S + 2 KCl + 7 H2O El H2S se oxida, luego es el reactivo reductor. El K2Cr2O7 se reduce, y ser la especie oxidante. 23.- Realizar un esquema de una pila con los semipares Cd2+/ Cd y Zn2+/ Zn. Se pide: a) Indicar cada uno de los componentes de la misma, ctodo, nodo, as como la notacin de la pila. b) Las semirreacciones correspondientes y la reaccin global. Calcular la f.e.m. estndar de la pila. c) Qu tipo de especie qumica utilizaras para la construccin del puente salino? Datos: E (Cd2+/ Cd) = - 0,40 V; E (Zn2+ /Zn) = -0,76 V. Solucin: a) y b) E pila = E ctodo E nodo El ctodo deber ser el par con valor de E menos negativo, es decir el par Cd2+/ Cd0, de modo que seaelZnmetlicoelqueseoxideaionesZn2+,mientraslosionesCd2+sonreducidosacadmio metal, segn las reacciones: Los electrones circularn del nodo (polo negativo) al ctodo (polo positivo), a travs del cable que mantiene los dos electrodos unidos elctricamente. c)Elpuentesalinoseencargademantenerlaunininicaentrelosdoselectrodos,luegoserun electrolito, como el cloruro de amonio. 24.- Indica cul es la fuerza electromotriz E0 para la reaccin: Zn + Sn4+=Zn+2+ + Sn+2+ Datos: E0 Zn2+ / Zn = - 0,76 V ; E0 Sn4+ / Sn2+ = + 0,15 V 25.- Deduce si el cloro o el yodo pueden oxidar el hierro (II) a hierro (III) en un medio acuoso. (Datos: EO Cl2/Cl- = 1,36v ; E0 I2/I - = 0,54V ; E0 Fe3+/Fe2+ = 0,77V) Solucin: Parapoderpredecirsilasreaccionesencuestinseproducirnonodebemosbasarnosenlos potencialesnormalesdereduccin.Delosdosparesredoxenfrentadosmarcarelsentidodela reduccin aquel que tenga el mayor valor de E0 red. 26.-Escribe la ecuacin inica ajustada para la pila galvnica formada al sumergir una tira de magnesio en una disolucin de Mg2+y una tira de plata en una disolucin de Ag+. Calcula el potencial normal de la pila. (Datos: E (Ag+/Ag)= 0,8 V, E (Mg2+/Mg)= -2,37 V) Solucin: Paraquelareaccintengalugarespontneamente,hadeactuarcomoctodo,esdecir,hade reducirse, la especie cuyo potencial normal seams grande, (en estecaso sera la plata),ya que la expresin del potencial de pila es: E pila = E ctodo - E nodo Una reaccin es espontnea si E pila > 0. Las semirreacciones redox que tendran lugar, seran: Reduccin (ganancia de electrones): nodo. Ag+ + 1 e- ------------> Ag Oxidacin (prdida de electrones): ctodo. Mg - 2 e- ---------------> Mg2+ Pues de este modo, la reaccin global ser: 2 Ag+ + Mg --------------> 2 Ag + Mg2+ Por tanto, el valor del potencial de pila resultara: E pila = 0,80 - (-2,37) = 3,17 V 27.- En la pila que utiliza la siguiente reaccin:Cu (s) + Fe 3+ (ac) --------> Cu2+ (ac) + Fe2+(ac) a) Identifica el nodo y el ctodo e indica el sentido del flujo de electrones. b) Escribe la reaccin ajustada y calcula la fuerza electromotriz estndar E. (Datos: E Fe 3+ / Fe2+ = 0,77 V; ECu2+/ Cu = + 0,34 V) Solucin: Se escriben las dos semirreacciones: Cu (s) - 2 e- -----------------> Cu2+ (ac) se pierden electrones: oxidacin: nodo (-) Fe3+ (ac) + 1 e- -------------------> Fe2+ (ac) se ganan electrones: reduccin: Ctodo (+) Los electrones siempre viajan del polo negativo al positivo, es decir, del nodo al ctodo. b) E pila = E ctodo - E nodo Luego, en este caso: E pila= 0,77 - 0,34 = 0,43 V Es un valor positivo, luego el proceso es espontneo en el sentido en que se ha dado escrito. 28.- a) Sabiendo que los potencialesoFe2+/ Fe = -0,44 V, oZn2+/ Zn = -0,76 V, oPb2+/ Pb = -0,13 V, justificar qu metal aconsejara para proteger el Fe de la corrosin. b) Ajustar la reaccin I- (ac) + MnO4- (ac)= I2 (ac) + MnO2 (s). Disolucin bsica. c)ConocidoslospotencialesdeoZn2+/Zn=-0,76V,oAg+/Ag=0,80V,oH+/H2=0,0V, justificar cmo los protones podrn oxidar al Zn, pero no la Ag. d) Justificar si se necesita un Faraday para reducir un mol de Fe3+ a Fe2+. Solucin: a)Paraevitarlacorrosinsedescarta,porsupuesto,elpropiohierro.Tampocoseraaconsejable proteger el hierro con plomo,porque lareaccindel Pb2+con el Fe esespontneayproduce iones Fe2+. Pb2+ + Fe = Pb + Fe2+ E redox = 0,31 V El metal que servira para proteger el Fe sera el Zn. Fe2+ + 2e- Fe (reduccin) Zn Zn2+ + 2e- (oxidacin) Zn + Fe2+ Zn2+ + Fe co = -0,44 (-0,76) = 0,32 V (espontnea) Mediante una reaccin espontnea el Zn reaccionara con los iones ferroso. Elpotencialdereduccinespositivoloquesignificaquelareaccinesespontnea:elzincreaccionaconlosprotonesdandoioneszincehidrgeno,porloqueelzincesatacadoporlos cidos fuertes. Elpotencialdereduccinvuelveaserpositivo,asquelareaccinesespontnea,peroenesta ocasinsonlosionesdeplatalosquereaccionanconelhidrgenodandoprotonesytomosde plata. Laraznporlaquelosprotonesatacanalzincynoalaplataestabasadaenelbalancedesus potenciales normales de reduccin. d)S,senecesitaunFaradayparareducirunmoldeFe3+aFe2+.Yaque1Feslacarga correspondiente a 1 mol de e- . Fe3+ + e- -->Fe2+ 29.-Lareaccinentrecidoclorhdricoycromatopotsicogeneraclorurodecromo(III), cloruro de potasio, cloro y agua. a) Ajuste la reaccin por el mtodo del in - electrn. b) Calcule el peso de cromato potsico necesario para obtener 125 g de cloruro de cromo (III) si el rendimiento de la operacin es del 70%. Solucin: a) Se escribe la reaccin que nos piden ajustar en medio cido, observando qu elementos cambian denmerodeoxidacin,yplanteandoconelloslasdossemirreaccionesredox,queseajustarn tanto en nmero de tomos como en cargas. HCl + K2CrO4 = CrCl3 + KCl + Cl2 + H2O HCl: Cl con n.o. = 1 Cl2 : Cl con n.o.= 0. K2CrO4: Cr con n.o.= +6 CrCl3: Cr con n.o.=+3 Despus, mediante un tanteo, comprobamos que hay el mismo nmero de todos los tomos a ambos ladosdelaecuacin,paralocualhemosdeajustarlosionesespectadores,quenoaparecanen ninguna de las 2 semirreacciones: 16 HCl + 2 K2CrO4 = 2 CrCl3 + 4 KCl + 3 Cl2 + 8 H2O b) Si obtenemos 125 g de CrCl3, podemos conocer cuntos moles son, utilizando la masa molecular del compuesto: Mm CrCl3 = 35,5 3 + 52 = 158,5 g / mol n CrCl3 = 125 / 158,5 = 0,78 moles Por la estequiometra de la reaccin ya ajustada, sabemos que: 2 moles de K2CrO4 dan lugar a 2 moles de CrCl3, luego para obtener 0,78 moles de CrCl3 habremos usado 0,78 moles del K2CrO4. Con la masa molecular del cromato potsico, se pasan los gramos a moles: Mm K2CrO4 = 194,2 g / mol m K2CrO4 = n Mm = 0,78 194,2 = 151,47 g de K2CrO4 Comoelrendimientodelaoperacinnoesdel100%,habremosdeutilizarmsK2CrO4,para conseguir la misma cantidad de CrCl3 : Si el rendimiento es el 70%: m K2CrO4 (real) = 151,47 100 / 70 = 194,2 g de K2CrO4 30.- Se hace pasar una corriente de 5 A durante 2 horas a travs de una celda electroltica que contiene CaCl2 (fundido). a) Escriba las reacciones de electrodo. b)Calculelascantidades,engramos,delosproductosquesedepositanodesprendenenlos electrodos. Solucin: a) Las reacciones que tienen lugar son: Reduccin (ganancia de electrones): Ctodo (-) Ca2+ + 2e- t Ca Oxidacin (prdida de electrones): nodo (+) 2 Cl- - 2e- t Cl2 b) Se aplica la ecuacin de Faraday: masa depositada = (I t Eq- g) / 96500 Se conocen: I = 5 A t = 2 h = 7200 s Eq- g del Ca = 40 / 2 = 20 Eq- g del Cl2 = (35,5 2) / 1 = 71 Luego se sustituye y opera: m Ca depositada = (5 7200 20 ) / 96500 = 7,46 g m Cl2 desprendido = (5 7200 71) / 96500 = 26,48 g 31.- De acuerdo con los valores de los potenciales estndar de reduccin a 25C: Cu2+/Cu = +0,34v ; Ni2+/Ni = -0,25v; Cd2+/Cd = -0,40v; Fe2+/Fe = -0 44v . a) Cul de las pilas que se pueden construir tendr la fuerza electromotriz mxima? Y cul tendr la fuerza electromotriz mnima? Justifique las respuestas. b) Indique cmo preparara en el laboratorio la pila de fuerza electromotriz mxima. Dibuje y nombre todas las partes que la componen. Indique el nodo, el ctodo y el sentido de los electrones que circulan por el circuito externo. b) Veamos la pila de f.e.m mxima. En el nodo (polo negativo) se realiza la oxidacin, es decir, el paso de Fe Fe2+. En el ctodo (polo positivo) se realiza la reduccin, es decir, el paso de Cu2+Cu. Se utilizaran un electrodo de hierro sumergido en una disolucin de FeSO4 , separado por un tabique poroso de una disolucin de CuSO4 , donde est sumergido el electrodo de cobre. Los electrodos se conectan entre si mediante un cable conductor que cierra el circuito y donde los electrones viajan en direccin del nodo al ctodo. Esquema simblico de la pila: Fe / Fe2+ // Cu2+ / Cu El dibujo de la pila sera: 32.- Para una pila cuya notacin es: Cd | Cd2+ (1 M) || S2O82- (1 M) , SO42- (1 M) | Pt a)Dibujaelmontajequeharas,eindicaelmaterialylosreactivosqueemplearasparala construccin de la pila. b) Calcule la fuerza electromotriz de la pila.c) Calcula la disminucin de la masa del nodo cuando la pila ha suministrado una corriente de 0,05 A durante 0,5 h.Datos: E0 (Cd2+/Cd) = - 0,40 V ; E0 (S2O82-/SO42-) = + 2,01 V 1 Faraday = 96.500 C; Masa atmica Cd = 112,4 Solucin: a) La pila consta de dos disoluciones, una de iones Cd2+ 1M (CdCl2) y otra de iones S2O82- 1M, junto con iones SO42- 1M ( Na2S2O8, y Na2SO4 ), contenidas en un recipiente de vidrio y separadas por un tabique poroso. En dichas disoluciones se introducen sendas barras de Cd (polo negativo) y de Pt (polo positivo). Al uniramboselectrodosporunhiloconductorseproduceunacorrienteelctrica,circulandolos electrones desde el electrodo de Cd hasta el de Pt. Ambas semiceldas estn separadas por un puente salino con una disolucin de KCl. c) Cuando pasa una corriente elctrica de 0,05 A durante 0,5 h = 1800 s, han pasado: 0,05 A 1800 s = 90 C. Para que se disuelva un equivalente gramo de Cd = 112,4 g / 2 = 56,2 g se necesitan 96.500 C, por lo tanto con 90 C se habrn disuelto: 56,2 90 / 96500 = 0,052g Esta es la disminucin de la masa del nodo de Cd. Tambin se podra haber calculado esta masa aplicando directamente la ley de Faraday: Esta se representa as: m = Eq-g I t / 96.500 = 56,2 0,05 1800 / 96.500 = 0,052 g 33.- a) Explique si el yodo podr provocar las reacciones siguientes en condiciones estndar. Justifique la respuesta: Sn =Sn2+ Fe2+ =Fe3+Ce3+ = Ce4+Zn = Zn2+ b)Encasodequedispusiramosdetodasestasespeciesparaseparar,explicarculserala pila con mximo potencial estndar que se podra montar. Indicarcomoconstruiramoslapilaenellaboratorio.Dibujarunesquemadandonombrea todos los elementos que la componen. Indicar el nodo, el ctodo y el sentido de los electrones en el circuito externo. Datos: E0 (Sn2+/Sn) = -0,14 V; E0(Fe3+/Fe2+) = 0,77 V; E0(Ce4+/Ce3+) = 1,61 V; E0 (Zn2+/Zn) = -0,76 V; E0(I2/2I-) = 0,53 V Solucin: a) Para ver si el yodo puede provocar las reacciones indicadas hay que comparar los potenciales. b) La pila con mximo potencial estndar que se podra montar es la formada por las especies con mayor diferencia de potencial posible, es decir la formada por: Ce4+/ Ce3+ E0 = 1,61 V Zn2+/ Zn E0 = - 0,76 V Semireaccin de oxidacin ANODO (-) : Zn Zn2+ + 2 e- Semireaccin de reduccin CATODO (+) : Ce4+ + 1 e- Ce3+ Multiplicandolareduccinpor2paraigualarelnmerodeelectrones,obtenemoslareaccin global: Zn + 2 Ce4+ Zn2+ + 2 Ce3+ E = 1,61 (-0,76) = 2,37 V Para preparar una pila Daniell con los electrodos indicados es necesario: Disolucin andica: [Zn2+] = 1M Disolucin catdica: [Ce4+] = 1M 1 lmina de zinc y otra de inerte (grafito) 2 vasos de precipitado 1 voltmetro hilo conductor puente salino (tubo de vidrio en forma de U con disolucin de KCl , tapando los dos extremos con fibra de vidrio). Los electrones circulan del nodo hacia el ctodo por el circuito exterior. 34.- En la construccin de una pila con los electrodos Ag+/Ag y Zn+2/Zn. a)Indiqueloselementosnecesariosparaprepararestapilaenellaboratorioydibujeun esquema del montaje. Indicando el ctodo y el nodo, las respectivas polaridades, y el sentido de circulacin de los electrones por el circuito externo. b)Calculelaf.e.m.estndardelapilaylaenergamximasuministradacuandocirculan 3500 Coulomb por el circuito exterior. Datos: E0 (Ag+/Ag) = +0,80 V; E0 (Zn+2/Zn) = - 0,76 V Solucin: a) Para preparar una pila Daniell con los electrodos indicados es necesario: Disolucin de ZnSO4 1M Disolucin de Ag2SO4 1M 1 Lmina de plata 1 Lmina de zinc 2 Vasos de precipitado 1 Voltmetro Hilo conductor Puentesalino(tubodevidrioenUconunadisolucindeKClcc,tapandolosdosextremoscon fibra de vidrio). Los electrones circulan del nodo al ctodo por el circuito exterior. b) La fuerza electromotriz de la pila: Ag+ + 1 e- Ag E0 = 0,80 V. Zn Zn+2 + 2 e- E0 = 0,76 V Multiplicando la primera por dos y sumando ambas semirreacciones se obtiene la reaccin global: Zn + 2 Ag+ Zn+2 + 2 Ag E0 pila = 1,56 V Cuando circulan 3500 C la energa mxima suministrada ser: E = q V = 3500 C 1,56 J/C = 5460 J 35.-Unapilaconstadeunasemiceldaconunelectrododeplatinosumergidoenuna disolucin 1 M de Fe 2+y 1 M de Fe 3+. La otra semicelda consiste en un electrodo Sn2+/Sn en condiciones estandar. a)Escribirlasreaccionesquetienenlugarenelctodoyenelnodo,lareaccinglobaly calcular la fem. de la pila. b)Indicarelmaterialylosproductosquesenecesiten,ycomoseprepararaestapilaenel laboratorio. Datos: E0 = (Fe3+/Fe2+) = 0,77 V; E0 = (Sn2+/Sn) = -0,14 V. Solucin: a) Semireaccin de oxidacin (ANODO): Sn Sn2+ + 2 e- E0 = 0,14 V Semireaccin de reduccin (CATODO): Fe3+ + 1 e- Fe2+ E0 = 0,77 V. Reaccinglobal: Paraescribir la reaccinglobal, hay que sumar las dos semireacciones, de forma queseanulesloselectrones,porlotantoenestecasohayquemultiplicarpor2lareduccin,y luego sumar. Reaccin global: Sn + 2 Fe3+ Sn2+ + 2 Fe2+ El potencial = E0C E0A = 0,77 (-0,14) = 0,91 V Cuando entre dos puntos fluye una corriente elctrica, se dice que existe una diferencia de potencial entre ellos. La corriente fluye del punto de mayor potencial al de menor potencial, esta diferencia de potencial se mide en voltios y se denomina fuerza electromotriz (f.e.m.). Cuandolasconcentracionesson1M,T=25Cytodaslaspresionesparcialesson1atm, condiciones estndar: f.e.m. = E0pila En este caso: E0pila = 0,91 V. b) Material y productos necesarios: 2 cubetas electroqumicas 1 puente salino (tubo de vidrio en forma de U, que se taponan con fibra de vidrio) 1 voltmetro 1 electrodo de platino 1 electrodo de estao disolucin 1M de H2SO4 disolucin 1M de Fe2(SO4)3 Preparacin: En la cubeta 1 se coloca la disolucin frrica y se introduce el electrodo de platino que est unido al voltmetroporunhiloconductor,elvoltmetroasuvezestunidoconotrohiloconductoral electrodo de estao, introducido en la cubeta 2, donde ponemos la disolucin cida. Lasdoscubetasestnconectadasmedianteelpuentesalino(unextremoencadacubeta),este puentevaapermitirlacirculacindeionessulfato..Loselectronesviajanatravsdeloshilos conductores del nodo al ctodo. 36.- En una electrlisis de cloruro de sodio se depositan 5 g de sodio en el ctodo. a)Calcularlosgramosdecloroqueseproducenenelnodoydeterminarelvolumenque ocupa este gas a una P = 2 atm y una temperatura de 50C. b)Cuntosminutostardarenproducirseestacantidaddeclorosiseutilizaunacorriente elctrica de 2,5 A?. Datos : masas atmicas : Cl = 35,5; Na = 23; R = 8,31 J/Kmol; 1 atm = 1,013 10-5 Pa Solucin: a) nodo: 2 Cl- ---------> Cl2 (g) + 2 e- Ctodo: | Na+ + e- --------------> Na (s) | 2 Reaccin: 2 Cl- + 2 Na+ --------------> Cl2(g) + 2 Na(s) Aplicando las leyes de Faraday: 1.- La masa de una sustancia liberada es directamente proporcional a la cantidad de electricidad. 2.-Lasmasasdedistintassustancias,liberadasporlamismacantidaddeelectricidad,son directamente proporcionales a los equivalentes de las mismas Eq-g de Na = 23 / 1 = 23 Segn la primera ley de Faraday se depositan 23 eq-g al pasar 96500C, luego si se han depositado 5 g, el nmero de culombios que pasaron ser: 96500 5 / 23 = 20978,2 C eq-qumico del Cl2 = 71,0 / 2 = 35,5. Como han pasado 20978,2 C se producen: 20978,2 35,5 / 96500 = 7,717 g de Cl2 moles de Cl2 = m(g) / Pm = 7,717 / 71,0 = 0,108 moles Aplicando la ley de los gases ideales: PV = nRT V = nRT / P = 0,108 0,082 323 / 2 = 1,44 L de Cl2 b) De la ecuacin del Faraday (m = Eq-g I t / F) : Eq-g = equivalente gramo de la sustancia. I = intensidad de la corriente que circula. T = tiempo en segundos. M = masa de la sustancia. F = 96500 C Despejando el tiempo: t = m F / Eq-g I = 7,717 96500 / 35,5 2,5 = 8390,87 s t = 139,833 minutos (tarda en producirse el cloro indicado) 37.- a) Determinar si en condiciones estndar, los iones Cr3+ oxidan al cobre metlico a Cu2+, o por el contrario, los iones Cu2+ oxidan al cromo metlico a iones Cr3+. b)Explicarcmoprepararalapilacorrespondienteenellaboratorio.Dibujeunesquema, indicando nodo, ctodo y sentido de circulacin de los electrones por el circuito externo. Datos: E (Cr3+/ Cr0) = -0,74 V; E (Cu2+/ Cu0) = +0,34 V Solucin: Paraqueunareaccinrdoxtengalugarespontneamente,elvalordelEpilahadeserpositivo, puesto que la espontaneidad la marca el signo de la energa libre de Gibbs, que se define: AG = - n F E pila Luego como: E pila = E ctodo E nodo El ctodo deber ser el par con valor de E positivo, es decir el par Cu2+/ Cu0, de modo que sea el Cr metlico el que se oxide a iones Cr3+, mientras los iones Cu2+ son reducidos a cobre metal, segn las reacciones: Cr - 3e- o Cr3+ oxidacin (Anodo) Cu2+ + 2e- o Cu reduccin (Ctodo) De modo que E pila = 0,34 - (-0,74) = 1,08 V > 0 b) Se necesitaran: - Dos vasos de precipitados. - Un tubo de vidrio en forma de U. - Algodn. - Un electrolito, como cloruro de amonio. - Dos disoluciones, de sulfato de cromo, y de sulfato de cobre, por ejemplo. - Dos varillas de cobre y cromo metlicos. - Un voltmetro. - Cable. Una pila galvnica est formada por 2 electrodos, comunicados inica y elctricamente: En cada vaso, se pone una de las dos disoluciones de sulfato, en la de cobre se introduce la varilla de cobre, y en la de cromo, la de este metal. Tendramos ya fabricados los dos electrodos. ConeltuboenU,llenodeelectrolito,ytaponadoslosextremosconelalgodn,seponenen contacto inicamente las semipilas (puente salino). Con el cable, y colocando entremedias el voltmetro, se logra la conexin elctrica. Entonces, comenzaran las semirreacciones de oxidacin reduccin en cada uno de los electrodos, percibiendo el paso de corriente en la aguja del voltmetro. 38.-a)Expliquecmoconstruiralasiguientepilayescribalasecuacionesdelosprocesos andico y catdico: (Pt) / Fe2+ (1 M), Fe 3+ (1 M) // Ag+ (1 M) / Ag b) Calcule el aumento de masa del ctodo cuando la pila haya generado 19300 C. Datos: Potenciales estandar: E0 Ag+/Ag = + 0,8 V ; E0 Fe3+/Fe2+ = + 0,77 V F = 96500 C; Masa atmica = 108 Solucin: a) Construccin de la pila: Como E0 (Ag+/Ag) > E0 (Fe3+/Fe2+). El in Ag+ se reduce a Ag, mientras que el in Fe2+ se oxida a Fe3+. b) Aplicando las leyes de Faraday: 1-Lacantidaddesustanciadepositadaalpasodeunacorrienteelctricaesdirectamente proporcional a la cantidad de electricidad empleada ( I t) 2-Paraunadeterminadacantidaddeelectricidadlacantidaddesustanciadepositadaes proporcional a su equivalente-gramo. Entonces: m (g) = ( Eq-g I t ) / 96500 Eq-g de Ag = Mm / ne = 108 / 1 = 108 m (g) de Ag = (108 19300) / 96500 = 21,6 g de Ag se depositan 39.- Se construye una pila basada en la reaccin: Zn + 2 H+ = Zn2+ + H2 a) Dibujar el esquemade la pila, indicando el ctodo, el nodo yel sentido en que fluyen los electrones por el circuito externo y calcule la FEM estandar de la pila. b)Calculelavariacindemasadelelectrododezinccuandohayanpasado0,02molesde electrones por el circuito. DATOS: E0 ( Zn2+/Zn) = - 0,76 V. Masa atmica del zinc = 65,5. Solucin: a) En el nodo se produce la oxidacin: Zn Zn2+ + 2 e- En el ctodo se produce la reduccin: 2 H+ + 2 e- H2 Los electrones circulan del nodo al ctodo por el circuito exterior. La fuerza electromotriz de la pila se calcula a partir de las semirreaciones: Zn Zn2+ + 2 e- E0 = 0,76 V 2 H+ + 2 e- H2 E0 = 0,0 V La reaccin global es : Zn + 2 H+ Zn2+ + H2 E0 pila = E electrodos = 0,76 + 0 = 0,76 V c) Se trata de un fenmeno electroqumico en el que la barra de cinc ir perdiendo peso a la vez que se desprende hidgeno gas. Aplicando las leyes de Fraday: 1Ley:Lacantidaddesustanciadepositadaalpasodeunacorrienteelctricaesdirectamente proporcional a la electricidad empleada. 2Ley:Paraunadeterminadacantidaddeelectricidad,lacantidaddesustanciadepositadaes directamente proporcional a su equivalente gramo. m(g) = Eq-g I t / 96500 Se observa en la semirreaccin de reduccin que 0,02 moles de electrones daran lugar a 0,01 moles de hidrgeno gaseoso, por tanto: m(g) = n moles Mm = 0,01 2 = 0,02 g De modo que, sabiendo que el equivalente gramo del hidrgeno es: Eq-g H2 = Mm / n e- = 2 / 2 = 1 0,02 = 1 I t / 96500; I t / 96500 = 0,02 Sustituyendo esto de nuevo en la ecuacin de Fraday para el Zn: m(g) de Zn perdida = Eq-g 0,02 = (65,5 / 2) 0,02 = 0,65 g Zn 40.- A partir de los valores de potenciales normales de reduccin, E0, para los sistemas: Mg2+/Mg - 2,34 V Zn2+/Zn - 0,76 V Ag+/Ag + 0,80 V Cd2+/Cd - 0,40 V K+/K - 2,93 V Cu2+/Cu + 0,34 V a) Indique que metales de la lista se disolvern espontneamente en una disolucin acuosa de HCl b) Si introducimos una varilla de zinc en disoluciones acuosas 1 M de nitrato de plata, nitrato decadmioynitratodemagnesio,justifiqueenquecasosseformarunacapadeotrometal sobre la varilla de zinc. Soluciones: a) Una disolucin acuosa de HCl es una disolucin cida donde tenemos la especie H+. Para que un metal se disuelva en ella, dicho metal tiene que oxidarse y para ello el in H+reducirse a H2. Esto slo ser posible cuando el potencial de reduccin del sistema 2H+ / H2 = 0,00 V sea mayor que el potencial del sistema de reduccin del metal Se disolvern: Cd, Zn, Mg, y K, cuyos potenciales de reduccin son menores que 0,00 V. b) Para que otro metal forme una capa sobre la varilla de zinc, dicho metal en disolucin tiene que reducirseyelzinctienequeoxidarse.Podrasucederestocuandoelpotencialdereduccindel metal en disolucin sea mayor que el potencial de reduccin de Zn2+/Zn. Por lo tanto suceder en la disolucin de nitrato de plata y en la de nitrato de cadmio: Oxidacin: Zn Zn2+ + 2 e- Reduccin: Ag+ + 1 e- Ag Multiplicamos la reduccin por 2, para igualar el n de electrones: Zn + 2 Ag+ Zn2+ + 2 Ag Oxidacin: Zn Zn2+ + 2 e- Reduccin: Cd2+ + 2 e- Ag Zn + Cd2+ Zn2+ + Cd 41.- Se dispone de una lmina de hierro y una de cobre y de disoluciones de concentracin 1 mol/dm3 de sulfato de cobre (II) y de sulfato de hierro (II). a) Explique que necesitara y como construira una pila voltaica con estas sustancias. b)Identifiquelosnodosyelctodo,escribirlassemirreaccionesylareaccinglobale identifique el camino seguido por los electrones en el circuito exterior. Datos: E0 (Cu2+/Cu) = + 0,34 V; E0 (Fe2+/Fe) = - 0,44 V. Solucin: a) Material necesario: 2 cubetas electrolticas 1 voltmetro 1 puente salino 1 lmina de hierro 1 lmina de cobre hilo conductor disoluciones andica y catdica voltmetro Montaje: b) Los electrones circulan desde el nodo hacia el ctodo por el circuito exterior. El sentido de la reaccin lo marca el valor de los potenciales de reduccin. ANODO (-) en l se produce la oxidacin: Fe Fe2+ + 2e- CTODO (+) en l se produce la reduccin: Cu2+ + 2e- Cu Reaccin redox global: Fe + Cu2+ Fe2+ + Cu E0 = E ctodo E0 nodo = 0,34 (-0,44) = 0,78 V > 0 42.-Unapiezametlicade0,36m2desuperficietotalsequiererecubrirconunacapade cromode10-7mdegrosor.Sesumergelapiezaenunaclulaelectrolticaquecontieneuna disolucindeunasaldecromo(III)porlaquecirculaunacorrienteelctricadeuna intensidad de 100 A. a)Escribirelprocesocatdicoeindiqueelnmerodemolesdeelectronesnecesariopara depositar un mol de tomos de cromo. b) Cul ser la masa de cromo necesaria para recubrir la pieza? c) Calcule el tiempo que tardar en depositarse la capa metlica. Datos: La masa atmica del cromo es 52 y su densidad es 7,19 g /cm3. 1F = 96500C Solucin: a) En el ctodo se produce la reduccin del cromo (III) a cromo (0) Cr3+ + 3 e- Cr Clculo de los moles de electrones para la produccin de 1 mol de tomos de cromo: Segn vemos en la ecuacin redox por cada tomo de cromo producido se captan 3 electrones, si se quiere preparar 1 mol de tomos de cromo se necesitarn 3 moles de electrones. b) La masa de cromo necesaria para recubrir la placa ser: V = 0,36 m210-7 m = 3,6 10-8 m3 Como la densidad del Cr es 7,19 g/cm3 d = m / V m = d V m = 7,19 g/cm33,6 10-2 cm3 = 0,258 g Se necesitan 0,258 g de cromo para recubrir la placa metlica con un grosor de 10-7 m. c) Segn la frmula de Faraday: m = Eq-g I t / 96500 t = m 96500 / Eq-g I = (0,258 96500) / (52/3 100) = 14,36 s. 43.- Conteste las siguientes cuestiones, justificando las respuestas: a)Sisesumergeunalminadehierroenunadisolucindenitratodeplata1M,se producir alguna reaccin? En caso afirmativo, describa en qu consistira. b)Sisesumergeunalminadeplatinoenunadisolucindesulfatodecobre(II)1M,se producir alguna reaccin? En caso afirmativo, describa en qu consistira. c) Calcule la variacin de energa libre de Gibbs de las posibles reacciones anteriores. Datos: E (Fe2+ / Fe) = -0,44 V; E (Ag+ / Ag) = 0,799 V; E (Pt2+ / Pt) = 1,19 V; E (Cu2+ / Cu) = 0,34 V; F = 96500 C mol-1 Solucin: Las reacciones sern posibles espontneamente, si el valor de la energa libre de Gibbs es un valor negativo, y para ello el potencial normal de la pila debera ser positivo: AG = - n F E pila Siendo: E pila = E ctodo E nodo a) La reaccin posible sera la disolucin de la lmina de hierro en la disolucin de nitrato de plata: Fe - 2e- t Fe2+ oxidacin: (Anodo) 2 ( Ag+ + 1e- t Ag) reduccin: (Ctodo) Fe + 2 Ag+ t Fe2+ + 2 Ag E pila = 0,799 - (-0,44) = 1,239 V > 0 Luego: AG < 0, y la reaccin s ser espontnea. LosionesplataatacanalFetransformndoloenunasalferrosaalavezquesedepositaplata metlica b) Del mismo modo se procede para el segundo caso: Pt - 2e- = Pt2+ oxidacin: (Anodo) Cu2+ + 2e- = Cu reduccin: (Ctodo) Pt + Cu2+ t Pt2+ + Cu E pila = 0,34 - 1,19 = - 0,85 V< 0 Luego: AG > 0, y la reaccin no ser espontnea. c) AG = - n F E pila Reaccin (a): AG = - 2 96500 (1,239) = - 2,3 105 J/mol Reaccin (b): AG = -2 96500 (-0,85) = 1,64 105 J/mol 44.- El sodio metlico se obtiene industrialmente por electrolisis del cloruro de sodio fundido. a)Indiqueenquelectrodo(nodooctodo)seproducirelsodiometlico,yescribala reaccin. b) Si se hace circular una corriente de 80 A durante 30 minutos por un recipiente que contiene cloruro de sodio fundido, calcular la carga que circula y la masa de sodio que se obtiene. c) Se podra obtener sodio metlico electrolizando una disolucin de cloruro de sodio?. Justifique la respuesta. Masas atmicas: Na = 23 ; Cl= 35,5 F = 96500 C/mol Solucin: a) La obtencin de Na metlico se lleva a cabo en el ctodo, por un proceso de reduccin: Na+ + 1 e- t Na b) La carga que circula ser el producto de la intensidad por el tiempo (en segundos): Q = I t = 80 180 = 144000 C La masa de Na depositada se halla por la ecuacin de Faraday: m = (Equiv.- g I t) / 96500 m = (23 144000) / 96500 = 34,3 g de Na c) No, el sodio obtenido al electrolizar una disolucin acuosa, reaccionara con el agua, pasando de nuevo a forma inica, y desprendindose hidrgeno gas. 45.-Seelectrolizaunadisolucindecidosulfrico,usandoelectrodosinertes,duranteun periodode20minutos.Elhidrogenoproducidoserecogesobreaguaaunapresintotalde 750 mm de Hg y a una temperatura de 27 C, obtenindose en esta condiciones un volumen de 200mL. a)Indiqueenquelectrodosedesprendeelhidrogeno,cualeslasemireaccin correspondiente y cul es el equivalente electroqumico del hidrogeno. b) Calcule la intensidad de la corriente aplicada. Datos:F=96500 culombios. Masa atomica H=1. R=0,082 atm L/K mol. Presin de vapor del agua a 27C=25 mm de Hg Solucin: a) La semirreaccin de reduccin tiene lugar en el ctodo. 2H+ + 2e- H2 El hidrogeno se desprende en dicho electrodo, que es el polo positivo de la cuba electrolitica: b) Para calcular la intensidad de la corriente aplicada, necesitamos hallar antes la presin real, para con este dato poder calcular el numero de moles de H2. Preal H2 = Ptotal - Pvapor agua = 750 25 = 725 mm Hg. Aplicando la ecuacin de los gases perfectos, obtenemos los moles de H2: P V = n R T n = 7,76 10-3 moles de H2. La cantidad de electricidad necesaria para que se desprendan esos moles ser: 46.- Dada la siguiente tabla de potenciales normales expresados en voltios: a) Escriba el nombre de: -La forma reducida del oxidante ms fuerte -Un catin que pueda ser oxidante y reductor -La especie ms reductora -Un anin que pueda ser oxidante y reductor b) Escriba y ajuste dos reacciones que sean espontneas, entre especies que figuren en la tabla que correspondan a: -Una oxidacin de un catin por un anion. -Una reduccin de un catin por un anin. Solucin 3: a)Entredosparesredox,aquelquetengaunpotencialnormaldereduccinmayorserelparen que se produzca la reduccin, induciendo la oxidacin en el otro par. Eloxidantemsfuerteeselquemstendenciatieneareducirse,esdecir,eldepotencialmayor, que en este caso corresponde al par Cl2/Cl- : Cl2 + 2e- Cl- La forma reducida del oxidante ms fuerte (Cl2) es Cl-. ElcatinSn2+puedeseroxidanteyreductor.Enuncasoactacomoreductoroxidndoseala especie Sn4+ y en otro como oxidante, reduciendose a Sn0. Sn2+ Sn4+ +2e Sn2+ + 2e- Sn El valor ms negativo de los potenciales indica qu la especie mas reductora en el Sn0 . El anin que puede comportarse como oxidante y como reductor es el ClO3-: En el par ClO3- / ClO2 - acta como oxidante reducindose a in clorito ClO2-. En el par ClO4- / ClO3 - acta como reductor oxidndose a in perclorato ClO4-. b) El nico catin presente en la tabla que puede oxidarse es el Sn2+ a Sn4+ de E0 = 0,15V . Para que la oxidacin la realice un anin de forma espontnea, podemos elegir entre los presentes cualquier par aninico de potencial normal de reduccin mayor de 0,15V, como el par SO3 2-/S2- (E0= 0,23). Si es as, el anin sulfito oxidar al ion esrao(II) a estao(IV), reducindose a ion sulfuro: El potencial redox de esta reaccin sera: E = -0,15 + 0,23 = 0,08 v Enlasegundapartenospidenunareduccinespontneadeuncatinporunanin.Sepuede reducirelCu2+acobremetlicoconunaninqueseoxide.Paraelloelparenelqueparticipeel aninhadetenerunpotencialnormaldeelectrodoqueeldelparCu2+/Cu(E0=0,35V),como puede ser el par SO42-/S2- (E0 = 0,15V). 47.- Deduzca razonadamente y escribiendo la reaccin ajustada: a) Si el hierro en su estado elemental puede ser oxidado a hierro(II) con MoO42-. b) Si el hierro (II) puede ser oxidado a hierro (III) con NO3-. Datos: E(MoO42-/Mo3+) = 0,51 V; E(NO3/NO) = 0,96 V. E(Fe3+/Fe2+) = 0,77 V; E(Fe 2+/Fe0) = -0,44 V. 48.- Se dispone de dos cubas electrolticasconectadas en serie, con disoluciones de nitrato de plataydecidosulfrico,respectivamente.Sehacepasarlacorrientedeformaqueenla primerasedepositan0,2325gramosdeplata.Calculeelvolumendehidrgeno,medidoa 25C y 1 atmsfera de presin, que se desprendern en la segunda cuba. Datos: masas atmicas: Ag = 108; H = 1. 1 Faraday = 96500 C Solucin: Eldepsitodeplatayeldesprendimientodehidrgeno,tienenlugarenlosctodosdelas respectivas cubas electrolticas, es decir, se obtienen en la semirreaccin de reduccin: Ag+ + e- o Ag 2 H+ + 2 e- o H2 La masa de sustancia depositada en el ctodo, segn la ley de Faraday, es directamente proporcional a la cantidad de carga que circula por la cuba, esto es: m = (Peq I t ) / 96500 m = (Peq Q ) / 96500 Se sabe que la expresin del peso equivalente de una especie es: P equiv. = M molec. o atmica / n e- intercambiados. Luego, para el caso de la plata: P equiv. Ag = M atmica. / n e- ganados = 108 / 1 = 108 g 0,2325 = [(108 /1) Q] / 96500 De donde: Q = 207,74 C Y para el hidrgeno: P equiv. H2 = M atmica / n e- ganados = 2 / 2 = 1 g Por lo que: Masa H2 = [ 1 Q] / 96500 Ycomolascubasestnconectadasenserie,lacantidaddecorrientequecirculaporambasesla misma: Q = 207,74 C Masa H2 = [1207,74] / 96500 Masa H2 = 2,15 10-3 g Comoloquesepideesvolumendelhidrgeno,yseconocenlascondicionesdepresiny temperatura en que se mide: P V = n R T n H2 = masa H2 / M molec. = 2,15 10-3 / 2 = 1,07 10-3 moles V H2 = (1,07 10-3 0,082 298) / 1 = 0,026 L = 26 mL 49.-Expliquelasdiferenciasentreunapilagalvnicayunaceldaelectroltica,respectoalos siguientes aspectos: a) Variacin de la energa libre en el proceso. b) Transformacin energtica que se produce. c) Nombre del electrodo positivo y proceso que en l se realiza. d) Polo en el que se produce la semirreaccin de oxidacin. Solucin: a) En una pila galvnica, el proceso es espontneo (DG < 0). En un celda electroltica el proceso es no espontneo (DG > 0), y hay que aplicar una determinada diferencia de potencial a los electrodos para que la reaccin tenga lugar. b) En las pilas galvnicas se transforma la energa qumica en energa elctrica, mientras que en las cubas electrolticas se transforma la energa elctrica en energa qumica. c)Enlaspilasgalvnicas,elelectrodopositivoeselctodo,enelquetienelugarlareduccin (ganancia de electrones). Enunaceldaelectroltica,elpolopositivoeselnodo,yenlsucedelaoxidacin(prdidade electrones) d)Lasemirreaccindeoxidacin,enunapilagalvnica,seproduceenelnodo,polonegativo. Tambinenunaceldaelectrolticaesteprocesotienelugarenelnodo,queahoraeselpolo positivo. 50. Explique por qu: a) El funcionamiento de una pila galvnica genera una corriente elctrica. b)Elctododeunacubaelectrolticaesnegativo,mientrasqueenunapilagalvnicaes positivo. Solucin: a)Laspilasgalvnicassondispositivosqueproducenenergaelctricaapartirdeunareaccin qumica. Laspilasgalvnicasconstandedosdisoluciones,comoporejemplosulfatodecobreysulfatode zinc, en dos cubetas independientes, que se ponen en contacto mediante un puente salino. En cada una de las disoluciones se introduce un electrodo. En este caso, en la cubeta de sulfato de cobre el electrodo ser de cobre, y en la cubeta de sulfato de zinc, el electrodo ser de zinc. Estos dos electrodos estn en contacto medianteun hilo conductor,y dado que los sistemas Cu2+ / Cu0 y Zn2+ / Zn0 tienen distinto potencial, se produce una reaccin redox entre ellos. A uno de ellos se le llama nodo (donde se produce la oxidacin) y al otro se le llama ctodo, donde se produce la reduccin. Anodo: Zn (s) Zn2+ + 2 e- Ctodo: Cu2+ + 2 e- Cu (s) Lalibrecirculacindeloselectronesdeunelectrodoaotroconstituyelacorrienteelctrica producida por la pila. Elpuentesalino,sirveparaponerencontactolasdosdisolucionesypermitirlacirculacindelos iones. b) En una pila galvnica los electrones circulan en direccin de nodo (-) a ctodo (+). El nodo se tomacomopolopositivoporqueloselectrones,quesoncargasnegativas,salendel.Siendoel ctodo el polo positivo que recibe a los electrones. Enunaclulaelectroltica,dondelacorrienteelctricaeslaqueproducelareaccinqumica,la polaridad es invertida con respecto a un pila. Los electrones viajan, tambin desde el nodo (polo +) al ctodo (polo -). En ambos dispositivos la oxidacin tiene lugar en el nodo y la reduccin en el ctodo. 51. Razone, a la vista de los siguientes potenciales normales E0 : Cu2+ / Cu = + 0,34 V; 2H+ / H2 = 0,00 V; Fe 2+ / Fe = - 0,44 V; Zn2+ / Zn = -0,76 V. a) Qu metal o metales desprenden hidrgeno al ser tratados con un cido?. b) Qu metal o metales pueden obtenerse al reducir sus sales con hidrgeno?. c) La reaccin que tiene lugar al formar una pila con electrodos de cobre y de hierro. d) La reaccin que tiene lugar al formar una pila con electrodos de cinc y de hierro. Solucin: a) Para que se desprenda hidrgeno gas el in H+ tendr que reducirse a H2. De modo que el in H+ actuar como oxidante. Por consiguiente, tendr que enfrentarse a metales cuyo potencial de reduccin sea menor que el del par 2H+/H2. Estos metales son el Fe y el Zn As las reacciones redox correspondientes sern: Fe + 2 H+ Fe2+ + H2 Zn + 2 H+ Zn2+ + H2 b) Para que la sal de unmetal se reduzcacon hidrgeno, el potencial dereduccin del metal tiene quesermayorqueelpotencialdereduccindelpar2H+/H2.Elnicometalquecumpleesta condicin es el Cu. La reaccin sera: Cu2+ + H2 Cu + 2 H+ c)Supongamosunapilaconelectrodosdecobreyhierro.Elparredoxdemayorpotencialde reduccin ser el que se reduzca. En este caso el Cu2+ se reduce y el Fe se oxida. Fe + Cu2+ Fe2+ + Cu Eo pila = Eo ctodo Eo nodo = 0,34 (-0,44) = 0,78 V d)Pilaconelectrodosdehierroyzinc.ElZntienemenorpotencialdereduccinporloquese oxidar, reducindose el Fe2+ a Fe. Zn + Fe2+ Zn2+ + Fe Eo pila = Eo ctodo Eo nodo = 0,44 (-0,76) = 0,32 V 52. En la electrolisis de una disolucin acuosa de cloruro de potasio se obtiene hidrxido de potasio, hidrgeno molecular y cloro molecular. Determine: a)Elprocesoquetienelugarencadaelectrodo,sealandoalmismotiemposunaturaleza andica o catdica. Por qu se forma hidrxido potsico? b) Qu volumen (en L) de hidrgeno y cloro gaseoso, medidos a 0C y 1 atm, se obtendrn al utilizar una corriente de 25 amperios durante dos horas? DATOS: 1 F = 96500 C R = 0,082 atm L/K mol Masas atmicas: Cl = 35,5; H = 1 Solucin: a) Reaccin: 2 KCl + 2 H2O " 2 KOH + H2 + Cl2 n oxidacin (que cambian): 1 +1 0 0 En el nodo se produce la reaccin de oxidacin: 2 Cl- Cl2 + 2 e- En el ctodo se produce la reaccin de reduccin:. 2 H+ + 2e- H2 El hidrxido potsico se forma por la hidrlisis de la sal KCl. KCl es una sal que en disolucin acuosa se disocia totalmente KCl K+ + Cl- El K+ reacciona con el agua dando lugar a la formacin de KOH: 2 K+ + 2 Cl- + 2 H2O 2 KOH + Cl2 + H2 Por otra parte el Cl- debido a la reaccin de electrolisis, en este caso se oxida a Cl2 b) Aplicando las leyes de Faraday: 1-Lacantidaddesustanciadepositadaalpasodeunacorrienteelctricaesdirectamente proporcional a la cantidad de electricidad empleada ( I t) 2-Paraunadeterminadacantidaddeelectricidadlacantidaddesustanciadepositadaes proporcional a su equivalente-gramo. Entonces: m = ( Eq-g I t ) / 96500 Eq-g de H2 = Mm / ne = 2 / 2 = 1 m H2 = (1 25 7200) / 96500 = 1,86 g n H2 = m / Mm = 1,86 / 2 = 0,93 moles Aplicando la ley de los gases ideales: P V = n R T V (H2) = n R T / P = (0,93 0,082 273) / 1 = 20,81 L Eq-g de Cl2 = Mm / ne = 71 / 2 = 35,5 m Cl2 = (35,5 25 7200) / 96500 = 66,22 g n Cl2 = m / Mm = 66,22 / 71 = 0,93 moles Aplicando la ley de los gases ideales: P V= n R T V (Cl2) = n R T / P = 0,93 0,082 273 / 1 = 20,81 L 53.- Para obtener 3,08 g de un metal M por electrlisis, se pasa una corriente de 1,3 A a travs de una disolucin de MCl2 durante dos horas. Calcule:a) La masa atmica del metal. b) Los litros de cloro producidos a 1 atmsfera de presin y 273 K. Datos: Constante de Faraday F = 96500 C/eq R = 0,082 atm L/K mol Solucin: a) Segn la primera ley de Faraday sabemos que: La cantidad de sustancia depositada al paso de una corriente electrica es directamente proporcional a la cantidad de electricidad empleada . m = Eq-g I t / 96500 Eq-g = Mat / n electrones en la semirreaccin Eq-g = 96500 m / I t Eq-g = 96500 3,08 / 1,3 7200 = 31,75 SiendoelcompuestoMCl2,comoesunasalde cloro,elnmerodeoxidacindelmetaltieneque ser (+2 ), para mantener la neutralidad del cristal Disociacin de la sal, previa a la electrlisis: MCl2 (aq) " M2+ + 2 Cl- ElmetalqueseobtieneMtienendeoxidacin(0),demodoquesehareducido,yelnde electrones que intervienen en la semirreaccin es 2. Ctodo (reduccin) : M2+ + 2 e- " M Eq-g = 31,75 = Mat / n e- Mat = Eq-g n e- Mat = 31,75 2 = 63,5 Se trata del cobre (Cu). b) En el nodo tiene lugar la oxidacin: 2 Cl- " Cl2 + 2 e- En el ctodo se produce la reduccin : M2+ + 2 e- " M Reaccin global: 2 Cl- + M2+ " M (s) + Cl2 (g) Segn la estequiometra, por cada mol de metal M se obtiene un mol de gas cloro. Se hallan los moles obtenidos de metal: n M = m / Mat = 3,08 / 63,5 = 0,0485 moles Luego los moles de cloro son: n Cl2 = 0,0485 moles Para calcular los litros de cloro producidos, recurrimos a la ecuacin de los gases ideales: P V = n R T V = n R T / P V = 0,048 0,082 273 / 1 V = 1,085 L de Cl2 54.- Se dispone de una pila formada por un electrodo de zinc, sumergido en una disolucin 1 M de Zn (NO3)2y conectado con un electrodo de cobre, sumergido en una disolucin 1 M de Cu (NO3)2. Ambas disoluciones estn unidas por un puente salino. a) Escriba el esquema de la pila y explique la funcin del puente salino. b) Indique en qu electrodo tienen lugar la oxidacin y en cul la reduccin. c) Escriba la reaccin global que tienen lugar e indique en qu sentido circula la corriente. d) En qu electrodo se deposita el cobre? Solucin: a), b) y c): Para construir la pila, se necesitaran: - Dos vasos de precipitados. - Un tubo de vidrio en forma de U. - Algodn. - Un electrolito, como cloruro de amonio. - Las dos disoluciones, de nitrato de cinc, y de nitrato de cobre. - Dos varillas de cobre y cinc metlicos. - Un voltmetro. - Cable. Todaclulagalvnica,transformaenergaqumicaenelctrica,queemplearamosparaencender una bombilla, poner en funcionamiento un aparato elctrico... Una pila galvnica est formada por 2 electrodos, comunicados inica y elctricamente: En cada vaso, se pone una de las dos disoluciones de sulfato, en la de cobre se introduce la varilla de cobre, y en la de cinc, la de este metal. Tendramos ya fabricados los dos electrodos. ConeltuboenU,llenodeelectrolito,ytaponadoslosextremosconelalgodn,seponenen contacto inicamente: es un puente salino. Con el cable, y colocando entremedias el voltmetro, se logra la conexin elctrica. Entonces, comenzaran las semirreacciones de oxidacin reduccin en cada uno de los electrodos, percibiendo el paso de corriente en la aguja del voltmetro. En este ejemplo, el Zn se oxidar a ion Zn(II) en el nodo (ser la especie reductora), polo negativo, mientrasquelosionesCu(II)sereducenaCumetlico(siendolaespecieoxidante)enelctodo, polo positivo. Los electrones se movern del polo negativo (nodo) al positivo (ctodo) El esquema de la pila pedida sera: E pila = E ctodo E nodo El ctodo deber ser el par con valor de E positivo, es decir el par Cu2+/ Cu, de modo que sea el Zn metlico el que se oxide aionesZn2+, mientras los iones Cu2+son reducidos acobre metal, segn las reacciones: De modo que E pila = 0,34 - (-0,76) = 1,10 V d) El cobre metlico se deposita en el ctodo o electrodo positivo. 55.- En el ctodo de una pila se reduce el dicromato potsico en medio cido a Cromo (III).a)Cuntosmolesdeelectronesdebenllegaralctodoparareducir1moldedicromato potsico?b) Calcule la cantidad de Faraday que se consume, para reducir todo el dicromato presente en una disolucin, si ha pasado una corriente elctrica de 2,2 A durante 15 min.c) Cul ser la concentracin inicial de dicromato en la disolucin anterior, si el volumen es de 20 mL?Datos.- Faraday = 96500 C/molSOLUCIN a) La reaccin de reaccin del dicromato potsico a Cromo (III) ajustada es: La estequiometria indica que se necesitan 6 moles de electrones parar reducir un mol de dicromato potsico.b) Calculamos primero la corriente elctrica que ha pasado por lacelda de electrolisis durante este tiempo: Q= I .t 56.- Explica razonadamente: a)Silosmetalescobreymanganesoreaccionaranconcidoclorhdrico1M,yencaso afirmativo, escriba la correspondiente reaccin redox. b) Lo que ocurrir si a una disolucin de sulfato de manganeso (II) le aadimos limaduras de cobre. c)Loqueocurrirsiaunadisolucindesulfatodemanganeso(II)leaadimosgranallade cinc. Datos: E0 (Mn2+/Mn) = -1,18 V; E0 (Cu2+/Cu) = +0,34V E0 (Zn2+/Zn) = -0,76 V. Solucin: a) El manganeso si reaccionar con el HCl 1M ya que es ms activo que el hidrgeno (observemos que tiene ms negativo el potencial normal de reduccin). Deeste modo se oxiday desplaza a los iones H+ de la disolucin del HCl 1M, desprendiendose H2(g) Mn + 2H+ Mn2+ + H2(g) ; E = 1,18 V >0 (reaccin espontnea) ElcobrenoreaccionaraconelHCl1MyaquenopuededesplazaralosionesH+porquesu potencial normal de reduccin es mayor que el del hidrogeno y su tendencia es a reducirse: Cu + 2H+ no reaccionan b)ElpotencialnormaldereduccindelCuesmayorqueeldelMn,portantoelCunopodr desplazar a los iones Mn2+: Cu + Mn2+ no reaccionan c) Por la misma razn el Zn no puede desplazar a los iones Mn2+de sus disoluciones Zn + Mn2+ no reaccionan 56.Enlasplantasindustrialescloro-lcaliserealizalaelectrlisisdedisolucionesdecloruro de sodio para obtener cloro e hidrgeno gaseosos e hidrxido de sodio. Las reacciones que se producen son: 2 Cl- (ac) => Cl2 (g) + 2 e- 2 H2O (l) + 2 e- => 2 OH- (ac) + H2 (g) ---------------------------------------------------- Global: 2 Cl- (ac) + 2 H2O (1) => C12 (g) + 2 OH- (ac) + H2 (g) Si obtenemos 100 gramos de H2 en una clula cloro-lcali: a)Qu masa de C12 se habr obtenido en el mismo tiempo? b)Qu cantidad de carga elctrica habr circulado por la clula de electrlisis? c) Indicar cul de las semirreacciones corresponde al ctodo y cul al nodo y qu especie se oxida y cul se reduce. Datos: Pesos atmicos: H = 1; O = 16; Cl = 35,5 Constante de Faraday F=96500 C/mol de e- Solucin 2: La electrlisis es un proceso provocado por laaplicacin de unacorriente elctrica.La electrlisis seefectaaplicandounvoltajeaunpardeelectrodosinertessumergidosenunadisolucin.La reaccin de electrlisis da lugar a la descomposicin de un compuesto en sus elementos. a) Aplicando la 2 ley de Faraday el n Eq formados de Cl2 = n Eq formados H2 b) Aplicando las leyes de Faraday Despejando I y sustituyendo obtenemos lo siguiente: c) Las semirreacciones que se producen en los electrodos son: nodo (oxidacin) 2Cl- (ac) Cl2 (g) +2e- Ctodo (reduccin) 2H2O (l)+2e- 2OH- (ac)+H2(g) 57.Suponerquesedisponededosbarrasmetlicas,unadeplomoyotradecinc,ydedos disoluciones, una que contiene Pb 2+ 1 M y la otra que contiene Zn 2+ l M. a)Explicarcmoseconstruiraunapilacondichosmateriales,dibujandounesquemadela misma. Calcular la diferencia de potencial o fuerza electromotriz de la pila. b) Escribir las semirreaciones que ocurren en cada semipila y la reaccin global. Indicar adems que electrodo es el ctodo y cul el nodo. Datos: Pb2+ + 2 e- Pb E = - 0,13 V Zn 2+ + 2 e- Zn E = - 0,76 V Solucin: a) La pila se construye a partir de dos disoluciones, una de Pb2+ y otra de Zn2+, independientes, que se pueden poner en contacto mediante un puente salino o un tabique poroso. EnladisolucindePb2+seintroducelabarradeplomoquesedenominaelectrodo.Deigual manera,enladisolucindeZn2+ponemoscomoelectrodolabarradecinc.Cadaunodelos electrodos, con la disolucin en la que se encuentran se denominan semipilas. Loselectrodosrecibenelnombredenodoyctodo.Enelnodoseproducelaoxidacinyenel ctodo la reduccin. Los electrodos estn unidos por un hilo conductor. Zn (s)| Zn2+ (1 M) || Pb2+ (1 M) |Pb (s) Para saber el potencial de una pila, una vez conocidos los potenciales normales de cada uno de los electrodos, basta hallar la suma algebraica de dichos potenciales. 58.-SemezclanenunvasoAvolmenesigualesdeunadisolucinquecontieneionesAg+y otradisolucinquecontieneionesFe2+.EnotrovasoBsemezclanvolmenesigualesde disolucinquecontieneionesAg+yotradisolucinquecontieneionesFe3+.Razonarsien algunodelosvasosseproducirreaccin.Encasodeproducirse,escribirlaeidentificarlas especies oxidante y reductora. Datos: Potenciales de reduccin estndar: Fe2+ + 2e- Fe ; E0= -0,44 V Fe3+ + 3e- Fe ; E0= -0,04 V Fe3+ + 1e- Fe2+ ; E0= +0,77 V Ag+ + 1e- Ag ; E0= +0,80 V Solucin: Para que una reaccin sea espontnea, AG < 0yE > 0,ya que la relacin entre la energa libre de Gibbs y el potencial de una reaccin es: AG = n F E En el vaso A se dan las siguientes reacciones: Ag+ + e- = AgE10 = +0,80 V Fe2+ + 2e- = FeE20 = +0,44 V Como el potencial de reduccin de la primera reaccin es mayor que el de la segunda, el Ag+ ser la especie oxidante, obligando al ion Fe2+ a actuar como reductor, a oxidarse. El proceso de oxidacin del Fe2+ sera: Fe2+ = Fe3+ + e-E30 = -0,77 V Y las dos posibles semirreacciones seran: 59.- Se tienen Pb y Zn metlicos y dos disoluciones A y B. La A contiene Pb2+ 1 M y la B Zn2+ 1 M. Teniendo en cuenta los materiales necesarios: a) Indicar esquemticamente cmo se construira una pila electroqumica. b) Indicar las reacciones que tendrn lugar y calcular el potencial estndar de la pila. Datos: E (Pb2+ / Pb) = - 0,13 V; E (Zn2+ / Zn) = - 0,76 V Solucin: Harnfaltadosvasosdeprecipitados,dondeintroducirlavarillasdelosdosmetales,ydonde depositar las dos disoluciones de sus iones. Disponemos, tambin, de un tubo en forma de U que se coloca invertido y hace las funciones de puente salino, o conexin inica entre las dos cubas. Finalmente, se requiere un cable y un voltmetro para medir la diferencia de potencial creada por la pila. a)yb)Paraquelapilafuncione,elnodo,debeserlaespecieconpotencialnormaldereduccin menor, esto es, el cinc, y el ctodo ser el plomo: Zn - 2 e- = Zn2+ Oxidacin: nodo Pb2+ + 2 e- = Pb Reduccin: ctodo E pila = E ctodo - E nodo E pila = - 0,13 (- 0,76) = 0,63 V Y como la expresin de la energa libre de Gibbs es la siguiente: AG = - n F E pila Con un valor de E pila positivo, AG ser negativo, y la reaccin espontnea en el sentido en el que est escrita. 60.- Cules son las reacciones inicas y el potencial normal de la celda compuesta por los pares Cd2+/Cd; Cu2+/Cu? Cul ser el nodo y cul ser el ctodo? Datos: E0(Cd2+/Cd) = -0,40 V; E0(Cu2+/Cu) = 0,34 V. Masas atmicas en u.m.a. S=32; O=16. Solucin: Al ser el potencial de reduccin del Cu2+ mayor que el de Cd2+, ser el Cu2+ el que experimente la reduccin, actuando como ctodo (polo positivo), mientras que el Cd2+ experimentar la oxidacin, y por tanto ser el nodo (polo negativo). E0 global = 0,34 + 0,40 = 0,74 V > 0 (Reaccin espontnea) 61.-Una corriente de 5,00 A que circula durante 30 minutos deposita 3,048 gramos de zinc en el ctodo. (a) Calcule la masa equivalente del zinc. (b) Cuntos gramos de cobre se depositarn al pasar 10,00 A durante una hora? Solucin 3: a) Al pasar la corriente elctrica por el ctodo se produce la reduccin del ion Zn2+, depositndose Zn metlico en dicho electrodo. Nos basaremos en la ecuacin de Faraday para resolver este apartado: En la ecuacin de la Ley de Faraday sustituimos la masa en gramos del Zn, la intensidad de la corriente en Amperios y el tiempo en segundos, obteniendo al despejar la solucin: b) Mediante la misma expresin del apartado anterior, utilizaremos otros datos (la intensidad de 10,00 A, el tiempo de 3600 segundos 1 hora, y los equivalentes-gramo del cobre): La valencia del cobre es 2, como se deduce de la ecuacin: Cu2+ + 2e- Cu(s) Con esto, sustituimos en la Ley de Faraday, obteniendo la siguiente masa de cobre: NOTA: En este problema deberan darse como datos el valor de la constante de Faraday, 96500 C/eq, y la masa atmica del Cu, 63,54 62.-Explique cmo construira en el laboratorio una pila con electrodos de cinc y cobre. Haga el dibujo correspondiente. Datos: E (Zn2+/Zn) = - 0,76 V, y E (Cu2+/Cu) = + 0,34 V. Indique las reacciones que se producen. As como el sentido de circulacin de los electrones. Solucin: Enlafiguraqueseindicapuedeverseelesquemadedichapila.Constadedosdisoluciones:una conteniendo iones Zn2+ (por ejemplo de ZnSO4) y otra con iones Cu2+ (por ejemplo de CuSO4). Estas disoluciones estn situadas en un recipiente de vidrio y separadas por un tabique poroso. (Laseparacinentresemiceldastambinpuedehacerseutilizarsemedianteunpuentesalinocon disolucin de KCl). Endichasdisolucionessesumergen,respectivamente,unalminadeZn(polonegativo,nodo),y otra de Cu (polo positivo, ctodo). Al unir ambos electrodos por un hilo conductor, se produce una corriente elctrica, circulando los electrones desde el electrodo de Zn hacia el de Cu. Las reacciones que se producen en la pila son: 63.-Predecir si se producir una reaccin espontnea en los siguientes casos: a)Cuandoseintroduceunalambredeplataenunadisolucindesulfatodecinc [tetraoxosulfato(VI) de cinc]. b)Cuandoseutilizaunacucharadealuminioparaagitarunadisolucindenitratode hierro(II) [trioxonitrato(V) de hierro(II)]. E (Ag+/Ag) = +0,80V, E (Zn2+/Zn) = -0,76V, E (Al3+/Al) = -1,67V y E (Fe2+/Fe) = -0,44V. Justifique la respuesta. Solucin: Un proceso ser espontneo si el sumatorio de los potenciales de oxidacin y reduccin es mayor que cero: E > 0. Los potenciales de reduccin indican: Luegoesteprocesoserespontneo,peronoloserelprocesoinverso,queeselqueplanteael supuesto del enunciado. Por tanto no ocurrir ningn fenmeno electroqumico. b) En este caso los potenciales determinan lo siguiente: Proceso espontneo. Luegoelmetalalumniodelacucharaseir gradualmentedesintegrandoypasarala disolucin en forma de in aluminio (III). 64.- Explique cmo construira una clula galvnica en el laboratorio. Describa material y procedimiento. Comente sus aplicaciones. Solucin: Se necesitaran: - Dos vasos de precipitado.- Un tubo de vidrio en forma de U o un tabique poroso. - Algodn o fibra de vidrio. - Un electrolito, como cloruro de amonio. - Dos disoluciones, por ejemplo de sulfato de cinc, y de sulfato de cobre. - Dos varillas metlicas, una de cobre y otra de cinc. - Un voltmetro. - Cable. Todaclulagalvnica,transformaenergaqumicaenelctrica,queemplearamosparaencender una bombilla, poner en funcionamiento un aparato elctrico. Una pila galvnica est formada por 2 electrodos, comunicados inica y elctricamente: En cada vaso, se pone una de las dos disoluciones de sulfato, en la de cobre se introduce la varilla de cobre, y en la de cinc, la de este metal. Tendramos ya fabricados los dos electrodos. ConeltuboenU,llenodeelectrolitoytaponadoslosextremosconelalgodn,seponenen contactoinicamenteloselectrodos(puentesalino),aunquesepuedeoptarporsepararlas semiceldas mediante un tabique poroso (ver figura). Con el cable, y colocando en medio el voltmetro, se logra cerra el circuito elctrico. Entonces,comenzaranlassemirreaccionesdeoxidacinreduccinencadaunodeloselectrodos, percibiendo el paso de corriente en la aguja del voltmetro. Enesteejemplo,elZnseoxidarainZn(II)enelnodo,polonegativo,mientrasquelosiones Cu(II) se reducen a Cu metlico en el ctodo, polo positivo. Aluniramboselectrodosporelhiloconductor,seproduceunacorrienteelctrica,circulandolos electrones desde el electrodo de Zn hacia el de Cu. Las reacciones que se producen en la pila son: 65.-Qupasarsiponemosunadisolucindetetraoxosulfato(VI)decobre(II)(sulfatode cobre (II) ) : a) en un recipiente de cinc ? b) en un recipiente de plata. Datos:E0 (Cu(II)/Cu(s)) = 0,34V ; E0(Zn(II)/Zn(s)) = -0,76V; E0(Ag(I)/Ag(s)) = 0,80V Solucin: Setratadeunfenmenoelectroqumico,compuestoporunelectrolito,CuSO4,yunalmina metlica que ser el recipiente en cada caso de un metal diferente . Pero,comolose-intercambiadosnosemueven,enuncasopermanecenenladisolucinyenel otro caso en el recipiente, no podemos hablar realmente de pila. En cada uno de los casos hay que tener en cuenta los E0red de cada elemento, para saber cul es el que se reduce y cual se oxida. a) CuSO4 (electrolito) en recipiente de Zn: E0(Cu(II)/Cu(s)) = 0,34 E0(Zn(II)/Zn(s)) = -0,76 El que tiene mayor tendencia a la reduccin es el Cu obligando al Zn a oxidarse. Los iones Cu2+ pasarn al recipiente depositndose como cobre metlico, mientras que el recipiente de Zn se ira descomponiendo en iones Zn2+. El recipiente se va haciendo ms electronegativo debido a los e- que quedan, y la disolucin se hace mspositiva,establecindoseunadiferenciadepotencial,quevaraamedidaquevaranlas concentraciones. Enestecasolose-intercambiadosnoabandonanelrecipienteporloquenoseestablececorriente elctrica. b) E0(Ag(I)/Ag(s)) = 0,80V En este caso el E0red mayor corresponde a la plata, luego en este caso es el Cu el que se reduce. En este sentido la reaccin redox es espontnea. AsquelosionesCu2+procedentesdeladisolucindesulfatodecobrenoatacanlasparedesdel recipiente de plata. 66.-Explique cmo construira en el laboratorio una pila con electrodos de cinc y cobre, E (Zn2+/ Zn) = - 0,76 V y E (Cu2+ / Cu) = + 0,34 V. Haga el dibujo correspondiente. En qu sentido circulan los electrones? Cules son las especies oxidante y reductora? Solucin: Se necesitaran: - Dos vasos de precipitados. - Un tubo de vidrio en forma de U. - Algodn. - Un electrolito, como cloruro de amonio. - Dos disoluciones, de sulfato de cinc, y de sulfato de cobre. - Dos varillas de cobre y cinc metlicos. - Un voltmetro. - Cable. Todaclulagalvnica,transformaenergaqumicaenelctrica,queemplearamosparaencender una bombilla, poner en funcionamiento un aparato elctrico,.. Una pila galvnica est formada por 2 electrodos, comunicados inica y elctricamente: En cada vaso, se pone una de las dos disoluciones de sulfato, en la de cobre se introduce la varilla de cobre, y en la de cinc, la de este metal. Tendramos ya fabricados los dos electrodos. ConeltuboenU,llenodeelectrolito,ytaponadoslosextremosconelalgodn,seponenen contacto inicamente: es un puente salino. Con el cable, y colocando entremedias el voltmetro, se logra la conexin elctrica. Entonces, comenzaran las semirreacciones de oxidacin reduccin en cada uno de los electrodos, percibiendo el paso de corriente en la aguja del voltmetro. En este ejemplo, el Zn se oxidar a in Zn(II) en el nodo (ser la especie reductora), polo negativo, mientrasquelosionesCu(II)sereducenaCumetlico(siendolaespecieoxidante)enelctodo, polo positivo. Los electrones se movern del polo negativo (nodo) al positivo (ctodo) El esquema de la pila pedida sera: E pila = E ctodo E nodo El ctodo deber ser el par con valor de E positivo, es decir el par Cu2+/ Cu, de modo que sea el Zn metlico el que se oxide a ionesZn2+, mientras los iones Cu2+son reducidos acobre metal,segn las reacciones: Zn - 2e- o Zn2+ oxidacin, nodo Cu2+ + 2e- o Cu reduccin, Ctodo De modo que E pila = 0,34 - (-0,76) = 1,10 V 67.-Seconstruyeunapilacomunicandomedianteuncircuitoexternounavarilladecincy una de cobre. La varilla de cinc est sumergida en una disolucin de cloruro de cobre (II). Las dos disoluciones se comunican mediante un puente salino que contiene cloruro de potasio. Expliqueclaramenteculeslafuncindelpuentesalino,indicandohaciadndemigranlos iones del puente salino. Datos: El ion Cu (II) es ms oxidante que el ion Zn (II). Solucin: Las pilas son dispositivos electroqumicos en los que mediante un proceso redox se produce energa elctrica. Por tanto, se deben intercambiar los electrones a travs de un circuito elctrico externo, es decir que las dos semirreacciones deben estar separadas fsicamente en dos semiceldas. Elelementoquemstendenciatieneaoxidarseeselcinc(reductor)yareducirseelinCobreII (oxidante), as tienen lugar las siguientes semirreacciones: Oxidacin: Zn(s) = Zn2+(aq) + 2e- nodo (polo - ) Reduccin: Cu2+(aq) + 2e- = Cu(s) Ctodo (polo + ) Los electrones viajan del nodo (barra de Zn) hacia el ctodo (barra de Cu). El puente salino es un tubo de vidrio en forma de U invertida cuyos extremos estn tapados por una sustanciaporosa.Ensuinteriorhayunadisolucinconductora(KCl)queesinerterespectoal proceso. Losanionesycationespasandeunadisolucinaotraigualandoaslacarganetadelasdos disoluciones.Estoevitaquetantoenunocomoenotroelectrodoselleguerpidamenteal equilibrio,ypermitequelaoxidacin,enuno,ylareduccin,enelotro,progresenhastael agotamiento de los reactivos. En este caso el cloruro potsico cierra el circuito permitiendo la circulacin de los iones inertes, all contenidos. El in K+ se dirigir hacia el electrdo de Cu, mientras que el in Cl- ir en direccin al electrodo de Zn. 68.- Dados los potenciales normales de reduccin siguientes: E (Zn(II) / Zn) = -0,76 V E ( Fe(II) / Fe) = -0,44 V E (Cu(II) / Cu) = 0,34 V Explicarazonadamente,qusucedecuandoseintroduceunavarillametlicadehierro,en una disolucin que contiene: a) Zn(II) b) Cu(II) Solucin: Puede haber, segn el caso, reaccin redox, y por tanto, la varilla de hierro se ira disolviendo, si el valor de la variacin de la energa libre de Gibbs es menor que cero. Luego se han de plantear las dos semirreacciones, y calcular el potencial normal de la pila formada, recordando que: AG = - nFE pila E pila = E ctodo - E nodo a) En la disolucin de Zn(II): El par que ms tendencia tiene a la reduccin es el del hierro. Los iones Fe2+ se reduciran a Fe, mientras que el Zn se oxidara a Zn2+ Fe2+ + 2e-=Fe ganancia de e-: reduccin .Ctodo Zn - 2e- =Zn2+ prdida de e-: oxidacin. nodo Fe2+ + Zn =Fe + Zn2+ (reaccin espontnea) E redox = (-0,44) - (-0,76) = 0,36 > 0 De manera que se cumple AG < 0 para la reaccin entre el Zn y los iones Fe2+. Luego al introducir una varilla de hierro en una disolucin de sal de cinc (proceso inverso) no hay reaccin redox espontnea. b) En la disolucin de Cu(II): Los iones Cu2+ se reduciran a Cu, y el Fe metlico, se oxidara a iones Fe2+ Cu2+ + 2e- = Cu ganancia de e-: reduccin .Ctodo Fe - 2e- = Fe2+ prdida de e-: oxidacin. nodo Cu2+ + Fe = Cu + Fe2+ E redox = 0,34 - (-0,44) = 0,78 > 0 Luego AG < 0, y la reaccin transcurrir espontneamente, oxidndose la varilla de hierro, que se ir disolviendo. 69.- En la construccin de una pila con un electrodo de zinc y el otro de aluminio sumergidos en las respectivas disoluciones 1 M de Zn (II) y Al (III). Se pide: a) Reaccin que se da en el nodo. b) Reaccin que se da en el ctodo c) Calcular la fuerza electromotriz (f.e.m.) o potencial de la pila. Datos: E0 (Al(III) / Al) = -1,66 V; E0 (Zn (II) / Zn) = -0,74 V Solucin: a) Reaccin en el nodo: semirreaccin de oxidacin Se oxidar aquel que tenga menor potencial de reduccin, el Zn. Zn Zn2+ + 2e-E0 = 0,74 V. b) Reaccin en el ctodo: semirreaccin de reduccin Se reduce aquel que tiene mayor potencial de reduccin, el Al. Al3+ + 3e- AlE0 = -1,66 V. c) Multiplicando la oxidacin por 3, la reduccin por 2 y sumando, tenemos la reaccin global: 3Zn + 2Al3+ 3Zn2+ + 2 Al Fuerza electromotriz o potencial de la pila, se obtiene restando los potenciales de reduccin de cada electrodo: E (pila) = E ctodo E nodo = -1,66 ( -0,74) = - 0,92 V 70.-Sedisponedeunaseriedebarrasdecobre,hierro,zincyplata,ademsdesussales acuosas. a) Cul es la pila con mayor potencial estndar que podra formarse?. Cunto valdra dicho potencial? b) Haz un dibujo esquemtico de la pila formada por un electrodo de Cu2+ / Cu y otro de Fe2+ / Fe; indicando el ctodo, el nodo, el oxidante y el reductor. Datos: E (Zn2+ / Zn) = - 0,76 V E (Cu2+ / Cu) = 0,34 V E (Ag+ / Ag) = 0,80 V E (Fe2+ / Fe) = - 0,44 V Solucin: a) La pila con potencial estndar ms alto ser la que est formada por el par de potencialpositivo ms alto como ctodo, y como nodo aquel que tenga potencial negativo de mayor valor absoluto. La expresin del potencial normal de una pila es: E pila = E ctodo - E nodo En este caso sera la pila formada por los siguientes electrodos: Anodo: Ag+ / Ag Ctodo: Zn2+ / Zn E pila = 0,80 - (- 0,76) = 1,56 V b)ParaquelapilaformadaporunelectrododeFe2+/FeyotrodeCu2+/Cu,funcione espontneamente, las reacciones en los electrodos han de ser las siguientes: Reduccin (en el ctodo, polo positivo): Cu2+ + 2e- = Cu Oxidacin (en el nodo, polo negativo): Fe - 2e- = Fe2+ Y la reaccin global: Cu2+ + Fe = Cu + Fe2+ El oxidante es la especie Cu2+ y el reductor es el Fe. Con valor de potencial normal positivo: E pila = 0,34 - (- 0,44) = 0,78 V El esquema de esta pila sera: 71.- Se construye la pila Zn / Zn2+ // Ag+ / Ag. Indica razonadamente: a)Lassemirreacciones,indicandocualesladeoxidacin,cualladereduccinylareaccin total. b) La f.e.m. de la pila. c) La polaridad de cada electrodo. Datos: E (Zn2+/ Zn) = - 0,76 V; E(Ag+ / Ag) = 0,80 V Solucin: a) Zn - 2 e- = Zn2+ prdida de electrones: oxidacin: nodo Ag+ + 1 e- = Ag ganancia de electrones: reduccin: ctodo Multiplicando la 2 semirreaccin por 2, y sumndosela a la 1, se tiene la reaccin global: Zn - 2 e- = Zn2+ 2 (Ag+ + 1 e- = Ag) Zn + 2 Ag+ = Zn2+ + 2Ag b) E pila = E ctodo - E nodo E pila = 0,80 - (- 0,76) = 1,56 V La reaccin tiene lugar espontneamente. c) nodo: electrodo negativo. Ctodo: electrodo positivo. 72.- Qu es el potencial normal o estndar de un electrodo y cmo se mide?. Solucin: Elpotencialnormaloestndardeunelectrodoeselcalculadoa25Cdetemperatura,a concentraciones 1M de las especies en disolucin y a presin de 1atm si en el electrodo intervienen gases. Esto deriva de la importancia en conocer la fuerza electromotriz de una pila, magnitud relacionada con el trabajo qumico: DG = -n F Epila E pila = E ctodo E nodo Paraellonecesitaramosconocerlospotencialesdecadaunodeloselectrodosycomoestonoes posible,seenfrentacadaelectrodoconotroelectrododereferenciaalqueasignaremos arbitrariamente potencial cero. E0 H+/H2 = 0,00 V Este electrodo de referencia es el electrodo normal de hidrgeno (ENH). Launidaddemedidadeestamagnitudeselvoltioyelvalorseobtieneexperimentalmente, intercalando un voltmetro en el circuito. DependiendodecmoacteelelectrodofrentealENH(nodo-,octodo+)asserelsigno adjudicado. 73.- Razona si la siguiente proposicin es cierta: "Un electrlito soporta el paso de la corriente elctrica sin descomponerse." Pon un ejemplo. Solucin: Esta proposicin no sera cierta,ya que el propio nombre del electrlito (lisis) hacereferencia a la ruptura que tiene lugar con el paso de la corriente. Enloselectrlitos,lacargaelctricaenmovimientoestransportadaporiones,loscualessufren procesosqumicoscuandoseproduceladescargaointercambiodecargaconelmaterialque compone los electrodos. Porejemplo,enelcasodelaelectrlisisdelNaClfundidoodisuelto,sepuedeobservarun desprendimiento de burbujas en el nodo con el paso de la corriente. Estas burbujas corresponden al gas Cl2 que se ha formado por oxidacin de los iones cloruro. Simultneamente, en el ctodo se forma sodio metlico por reduccin del in Na+. Aspues,quedademostradoquelaproposicinnoescorrecta,yqueloselectrlitosse descomponen con el paso de la corriente. 74.-EnunacubaelectrolticaquecontieneZnCl2fundido,sehacepasarunacorriente constante de 4 A hasta que se depositan 28 g de Zn metlico. a) Dibuja el esquema de la cuba y el sentido de la corriente. b) Indica los procesos que tienen lugar en el nodo y en el ctodo. c) Calcula el tiempo necesario para la operacin y el volumen de cloro (en C.N.) liberado en el proceso. Solucin: a) b) Las semirreacciones que se producen son: Oxidacin (nodo): 2Cl- = Cl2 + 2e- Reduccin (Ctodo): Zn2+ + 2e- = Zn c) Aplicando la ley de Faraday tenemos que: m = Eq-g I t / 96500 El equivalente-gramo del Zn se obtiene dividiendo su peso atmico por su valencia: Eq-g = 65 / 2 = 32,5 Despejando de la frmula anterior se obtiene el tiempo: t = (28 g 96500) / (32,5 4) = 20784,6 s = 5h 46min 24,62s. Por otro lado, puesto que la reduccin de 1 mol de Zn2+ conlleva el desprendimiento de 1 mol de cloro molecular, el volumen de Cl2 liberado en c.n. (1 mol = 22,4 L) ser: 1 mol Zn / 22,4 L Cl2 = 65,4 g Zn / 22,4 L Cl2 = 28 / V V = 9,6 L Cl2 75.-Conociendo los potenciales normales de reduccin de los siguientes metales: Cd2+ /Cd= -0,40 V; Cu2+/Cu = +0,34 V ; Mg2+/Mg = -2,43 V; Zn2+/ Zn = -0,76 V. a)Dibujeelesquemadeunapilagalvnicautilizandoelectrodosnormalesdedosdeestos metales. b) Indique los procesos que tienen lugar en el polo positivo y en el negativo. c) Cul ser la f.e.m. normal de la pila?. Solucin: a) Elegiremos los electrodos de Cu y Zn. Para preparar una pila tipo Daniell con los electrodos normales indicados es necesario: Disolucin de ZnSO4 1M Disolucin de CuSO4 1M 1 lmina de cobre 1 lmina de plata 2 vasos de precipitado 1 voltmetro hilo conductor puente salino (tubo de vidrio en U con una diso