PILA DE DANIELL
OBJETIVO
Introducir al alumno en la ejercitación de los cálculos utilizados para
determinar las fuerzas electromotrices (fem) de pilas reversibles.
Armado de una pila Daniell en el laboratorio y observación de la simulación del
trabajo eléctrico de la pila Daniell extraída de la página Web de la Editorial
Mc Graw-Hill, ya sea cuando actúa como pila (trabajo eléctrico realizado POR el
sistema) o cuando actúa como celda electrolítica (trabajo eléctrico realizado
SOBRE el sistema).
A. DESARROLLO
Problema Ns 1
Informe del trabajo práctico del laboratorio (armado de una
pila Daniell).
Problema Ns 2
Deducción de las reacciones de hemipila involucradas en la pila de Daniell y
cálculo de la fem resultante cuando la misma actúa como pila (trabajo
realizado POR el sistema).
Problema Ns 3
sQué efectos se observarían en la fem de una pila de Daniell, como resultado
de: a) disminuir la concentración de la solución de sulfato de cinc; b)
disminuir la concentración de la solución de sulfato de cobre (II); c)
cortocircuitar la pila; d) eliminar el puente salino; e) agitar la solución que
resulta de cortocircuitar la pila?.
Problema Ns 4
Determine si las reacciones redox que se expresan mediante las ecuaciones
iónicas siguientes son espontáneas o no, en condiciones estándar.
a) Pb + 2 Ag+ → Pb2+ + 2 Ag
b) 2 Cr3+ + 3 Cd → 2 Cr + 3 Cd2+
c) Fe + 2 Fe3+ → 3 Fe2+
d) Sn + 2 Na+ → Sn2+ + 2 Na
De no ser posible, escribirlasen el sentido correcto.
Problema Ns 5
Se introduce una barra de hierro en una solución 1 M de iones Fe2+ y otra de
estaño en una solución 1 M de Sn2+, se conectan eléctricamente ambas y se unen
las soluciones con un puente salino. Las soluciones están a
25sC. Escriba las ecuaciones químicas de las reacciones que tienen lugar
en cada electrodo y la reacción global de la pila, determine cuál es el cátodo
y cuál es el ánodo, indique polo positivo, polo negativo y el sentido de flujo
de los electrones, escriba la notación convencional que representa la pila y
calcule la fem de la pila.
Problema Ns 6
Una pila voltaica está formada por un electrodo de cobre en una solución de
sulfato de cobre (II) 0,01 M y un electrodo de plata en solución de nitrato de
plata 0,1 M. Calcule la fem de la pila.
Problema Ns 7
Calcule la fem resultante de la reacción entre el permanganato de potasio y el
peróxido de hidrógeno en medio ácido.
Problema Ns 8
Calcule la fem resultante de las reacciones involucradas en el acumulador de
plomo.
Problema Ns 9
sCuándo y en qué condiciones se considera positivo a un
cátodo y cuándo y en qué condiciones se lo considera negativo?
sCuándo y en qué condiciones se considera negativo a un
ánodo y cuándo y en qué condiciones se lo considera positivo?
B. REALIZACION DEL TRABAJO PRÁCTICO
Problema Ns 1
Pila de Daniell:
Se coloca, en lasemicelda de la izquierda una lámina de Cinc
metálico sumergido en una solución de [1M]. Aquí se produce el proceso de
oxidación, dónde el electrodo recibe el nombre de ánodo y se considera a esta semicelda el polo negativo de la pila.
En la semicelda de la derecha se sumerge una lámina de Cobre
metálico en una solución de [1M]. En esta semicelda se produce la
reducción, al electrodo se lo denomina cátodo y se considera a la semicelda como
el polo positivo de la pila.
Ambas soluciones se encuentran en contacto a través del puente salino,
el cuál es un tubo en U invertido con tapones de algodón en ambos extremos y
una solución iónica en su interior.
Mientras que las láminas metálicas se conectan por un
circuito externo que posee un voltímetro encargado de medir la diferencia de
potenciales existente entre ambas semiceldas.
En el proceso de óxido-reducción, el cuál es espontáneo, efectuado en la pila
el Cinc se oxida liberando electrones, por lo que
decimos que es un metal activo. Los electrones liberados viajan por el circuito
externo hacia el cátodo de donde son utilizados en la reducción de los cationes
de ; ya que el Cobre tiene tendencia a ganar
electrones se dice que es un metal pasivo.
La solución iónica presente en el puente salino se disocia. De
esta manera los iones positivos se mueven hacia el cátodo y los iones negativos
hacia el ánodo.
El puente salino permite el flujocontinuo de electrones de
una semicelda a la otra. Si no existiera, la diferencia de potencial
generada entre ambas semiceldas no permitiría el paso de más
electrones. El puente salino es el que permite la movilidad de los iones para
mantener la carga equilibrada en cada celda, y de esta manera, la reacción de
óxido reducción sigue progresando y el flujo de electrones puede continuar,
hasta que se haya terminado todo el zinc sólido y se haya depositado en el
cátodo todo el cobre sólido que la reacción permite. Cuando ha llegado este punto, la pila se ha agotado.
Al finalizar el proceso de transferencia de electrones de la lámina de Zn(s)
disminuye su masa debido a la pérdida de electrones y Zn2+, mientras el Cu(s)
la aumenta debido a la ganancia de electrones.
Esquematización:
Celda electrolítica:
Se trata de una celda una celda electroquímica en la cual ocurre una
electrólisis. Electrólisis es el proceso donde se emplea una determinada
cantidad de energía eléctrica haciéndola pasar a través de una sustancia en
solución o fundida ocasionando en ella cambios
químicos.
Al igual que en la pila galvánica, la oxidación tiene lugar en el ánodo y la
reducción tiene lugar en el cátodo; los electrones viajan a través de un alambre externo desde el ánodo hacia el cátodo. Pero, a
diferencia de la pila galvánica, la corriente no se genera espontáneamente; lo
que hace es convertir la energía corrienteeléctrica, que se le brinda de una
fuente externa, en la energía química de los productos de una reacción que no
se da de modo espontáneo en las condiciones de trabajo de dicha cuba.
Cu(s) + Zn2+ (ac) Cu2+(s) + Zn(s
Para forzar una reacción en el sentido no
espontáneo, la fuente externa debe generar una diferencia de potencial mayor a
la diferencia de potencial que se produciría por la reacción inversa.
Esquematización:
Problema Ns 2
Reacción de oxidación:
Reacción de reducción: +
Reacción global: +
FEM resultante
Es Cu2+/Cu = + 0,3419 V
Es Zn2+/Zn = -0,7618 V
Es = [(+3,3419)-(-0,7618)] V
Es= +1,1037 V
Problema Ns 3
a) Disminución en la concentración de Sulfato de Cinc
Ecuación de Nernst para la semicelda:
Al observar la ecuación de Nernst observamos que al disminuir la concentración
de sulfato de Cinc disminuye el potencial estándar de la semicelda, por lo que
la FEM total de la pila aumenta.
b) Disminución de la concentración de Sulfato de Cobre (II
Ecuación de Nernst de la semicelda:
Observando la ecuación de Nernst podemos concluir que al disminuir la
concentración de Sulfato de Cobre (II), el potencial de lasemicelda disminuye.
Por lo tanto la FEM total disminuye.
c) Cortocircuitar la pila
Si producimos un cortocircuito en la pila, ésta deja
de funcionar ya que provocamos la interrupción de corriente de electrones. Por
lo que la FEM total de la pila es cero.
d) Eliminar el puente salino
Al sacar el puente salino, los iones no pasan entre las soluciones, por lo
tanto la diferencia de potencial es cero.
e) Agitar la solución que resulta de cortocircuitar la pila
No se nota ninguna diferencia.
PROBLEMA Ns4
a) = - 0,13 V = +0,80 V
Oxidación anódica:
Reducción catódica:
Es= [(+0,80)-(-0,13)] V
Es= +0,93 V  Reacción espontánea
b) = - 0,74 V = - 0,40
Oxidación anódica:
Reducción catódica:
Es= [(-0,74)-(-0,40)] V
Es= -0,34 V  Reacción no espontánea
c) = +0,77 V = - 0,44 V
Oxidación anódica:
Reducción catódica:
Es = [(+0,77) – (- 0,44)] V
Es= +1,21 V  Reacción espontánea
d) = - 0,14 V = - 2,71 V
Oxidación anódica:
Reducción catódica:
Es= [(-2,71)-(-0,14)] V
Es= -2,57 V  Reacción no espontánea
Problema Ns 5
Notación convencional: Sn(s)|Fe2+(ac)||Sn2+(ac)|Sn(s)
Reacción de oxidación:
Reacción de reducción:
Reacción global:
En este caso, el potencial de oxidación del Hierro es mayor que el del Estaño,
por lo tanto el Hierrotendrá mayor tendencia a oxidarse.
Entonces concluimos en que, el ánodo es la placa de Fe, y la
placa de Sn es el cátodo. La semicelda en la que se coloca la lámina de
Fe en la solución [1M] de iones , es considerada el polo negativo de la pila; mientras que la
semicelda en la que se coloca la placa de Sn en la solución [1M] de iones es el polo positivo de
la pila.
Por lo tanto el flujo de electrones es desde la semicelda en la que ocurre la
oxidación hacia la semicelda donde se produce la reducción.
Esquematización:
Cálculo de la FEM total
= -0,44 V = -0,14 V
Es= [(-0,14) - (-0,44)] V
Es= +0,30 V Se trata de una reacción espontánea
Problema Ns 6
= +0,34 V = +0,80 V
Semirreacción de oxidación:
Semirreacción de reducción:
Reacción global:
FEM total
Es = [(+0,80) – (+0,34)] V
Es= + 0,46 V  Se trata de una reacción espontánea
Calculo por concentración
= 0,3418 V + log [0,01] (O.A.)
= 0,7996 V + log [0,1] (R.C.)
FEM = 0,7404 V – 0,2827 V = 0,4577 V
Dónde:
R= cte. 8,314
T= 298 K
F= 96500 C
Problema Ns 7
Oxidación: [ H2O2(l) O2(g) + 2e-+ 2H+(ac)] x 5
Reducción: [MnO4-(ac) + 5e- + 8 H+(ac) Mn2+(ac) + 4 H2O(l)] x 2
Iónica: 2 MnO4- (ac)+ 5 H2O2 (l) + 1 6 H+(ac) 2 Mn2+ (ac) + 5 O2 (g) + 8 H2O(l)
+ 10 H+(ac)Ecuación molecular:
5 H2O2 (l) + 2KMnO4 (ac) +3H2SO4 (ac) 5 O2(g) +2 MnSO4 (ac) +8 H2O (l) + K2SO4
(ac)
Fem total
Es= [(+1,51) – (+0,68)] V
Es= 0,83 V
Problema Ns 8
Acumulador de Plomo
El acumulador de plomo consiste en un recipiente lleno de una solución de ácido
sulfúrico como electrólito, donde se sumergen dos placas hechas de una malla
muy fina de plomo, rellenas una con óxido de plomo y otra de Plomo finamente
divididos en forma esponjosa. La placa de óxido de plomo funciona como polo positivo del acumulador y la placa de plomo esponjoso como polo negativo.
Oxidación anódica: + + (ac) +
Reducción catódica: + (ac) + + 2 (l)
Es ánodo= -0,31 V
Es cátodo= +1,70 V
FEM total
Es= [(+1,70) – (- 0,31)] V
Es= +2,01 V
Problema Ns 9
El cátodo puede ser considerado negativo o positivo, al igual que el ánodo.
Esto dependerá del
tipo de dispositivo en el que se halle.
Si el dispositivo consume energía eléctrica, tal como una celda
electrolítica, el cátodo será considerado negativo y el ánodo será considerado
positivo. Por otro lado, cuando se trata de un
dispositivo que brinda energía eléctrica, como
por ejemplo una pila galvánica, el cátodo se considerará positivo, por lo tanto
el ánodo será el electrodo negativo del
mismo.
