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REACCIONES DE TRANSFERENCIA DE ELECTRONES (Reacciones Redox)

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Presentación del tema: "REACCIONES DE TRANSFERENCIA DE ELECTRONES (Reacciones Redox)"— Transcripción de la presentación:

1 REACCIONES DE TRANSFERENCIA DE ELECTRONES (Reacciones Redox)

2 Contenidos (1) 1.- Estado de oxidación. 2.- Concepto de oxidación y reducción Oxidantes y reductores Oxidantes y reductores. 3.- Ajuste de ecuaciones redox Reacciones en medio ácido Reacciones en medio básico. 4.- Valoraciones de oxidación-reducción. 5.- Pilas electroquímicas Tipos de electrodos 5.2. Pilas Daniell 5.3. Pilas y baterías comerciales.

3 6.- Potenciales de reducción estándar Determinación del voltaje de una pila Electrodo de Hidrógeno. Pilas con Hidrógeno 6.3. Espontaneidad de las reacciones redox. 7.- Electrólisis Aplicaciones 7.2. Comparación polaridad en pilas y electrólisis Ecuación de Faraday 8.- Aplicaciones industriales redox: 8.1. Electrólisis del cloruro de sodio Siderurgia y obtención de metales Corrosión Protección catódica.

4 Historia El término OXIDACIÓN comenzó a usarse para indicar que un compuesto incrementaba la proporción de átomos de Oxígeno. El término OXIDACIÓN comenzó a usarse para indicar que un compuesto incrementaba la proporción de átomos de Oxígeno. Igualmente, se utilizó el termino de REDUCCIÓN para indicar una disminución en la proporción de oxígeno. Igualmente, se utilizó el termino de REDUCCIÓN para indicar una disminución en la proporción de oxígeno.

5 Estado de oxidación (E.O.) (También número de oxidación). Es la carga que tendría un átomo si todos sus enlaces fueran iónicos. En el caso de enlaces covalentes polares habría que suponer que la pareja de electrones compartidos están totalmente desplazados hacia el elemento más electronegativo. En el caso de enlaces covalentes polares habría que suponer que la pareja de electrones compartidos están totalmente desplazados hacia el elemento más electronegativo. El E.O. no tiene porqué ser la carga real que tiene un átomo, aunque a veces coincide. REPASO

6 Principales estados de oxidación. Todos los elementos en estado neutro tienen E.O. = 0. Todos los elementos en estado neutro tienen E.O. = 0. El oxígeno (O) en óxidos, ácidos y sales oxácidas tiene E.O. = –2. El oxígeno (O) en óxidos, ácidos y sales oxácidas tiene E.O. = –2. El hidrógeno (H) tiene E.O. = –1 en los hidruros metálicos y +1 en el resto de los casos que son la mayoría. El hidrógeno (H) tiene E.O. = –1 en los hidruros metálicos y +1 en el resto de los casos que son la mayoría. Los metales formando parte de moléculas tienen E.O. positivos. Los metales formando parte de moléculas tienen E.O. positivos. REPASO

7 Cálculo de estado de oxidación (E.O.). La suma de los E.O. de una molécula neutra es siempre 0. Ejemplo: Calcular el E.O. del S en ZnSO 4 E.O.(Zn) = +2; E.O.(O) = –2; +2 + E.O.(S) + 4 · (–2) = 0 E.O.(S) = E.O.(S) + 4 · (–2) = 0 E.O.(S) = +6 Si se trata de un ion monoatómico es igual a su carga. REPASO

8 Ejemplos de cálculo de estados de oxidación (E.O.). CO 2 : el átomo de C forma dos enlaces covalentes con dos átomos de O más electronegativo que él. Comparte los 4e –, pero para saber cuales son los E.O. hay que suponer que el C los pierde, y que el O los gana, con lo cual la carga que tendría el C sería +4 y la del O –2 CO 2 : el átomo de C forma dos enlaces covalentes con dos átomos de O más electronegativo que él. Comparte los 4e –, pero para saber cuales son los E.O. hay que suponer que el C los pierde, y que el O los gana, con lo cual la carga que tendría el C sería +4 y la del O –2 E.O. (C) = +4; E.O. (O) = –2. REPASO

9 Definición actual OXIDACIÓN: Pérdida de electrones (o aumento en el número de oxidación). OXIDACIÓN: Pérdida de electrones (o aumento en el número de oxidación). Ejemplo: Cu Cu e – REDUCCIÓN: Ganancia de electrones (o disminución en el número de oxidación). REDUCCIÓN: Ganancia de electrones (o disminución en el número de oxidación). Ejemplo: Ag + + 1e – Ag Siempre que se produce una oxidación debe producirse simultáneamente una reducción. Cada una de estas reacciones se denomina semirreacción.

10 Ejemplo: Cu +AgNO 3 Introducimos un electrodo de cobre en una disolución de AgNO 3 De manera espontánea el cobre se oxidará pasando a la disolución como Cu 2+, mientras que la Ag + de la misma se reducirá pasando a ser plata metálica: a) Cu Cu e – (oxidación) b) Ag + + 1e – Ag (reducción). Imagen cedida por © Grupo ANAYA S.A. Química 2º de bachillerrato

11 Ejemplo: Zn + Pb(NO 3 ) 2 Al introducir una lámina de cinc en una disolución de Pb(NO 3 ) 2 la lámina de Zn se recubre de una capa de plomo: a) Zn Zn e – (oxidación) b) Pb e – Pb (reducción). Imagen cedida por © Grupo ANAYA S.A. Química 2º de bachillerrato

12 Ejemplo: Comprobar que la reacción de formación de hierro: Fe 2 O CO 2 Fe + 3 CO 2 es una reacción redox. Indicar los E.O. de todos los elementos antes y después de la reacción Fe 2 O CO 2 Fe + 3 CO 2 Fe 2 O CO 2 Fe + 3 CO 2 E.O.: +3 –2 +2 – –2 Reducción: El Fe disminuye su E.O. de +3 a 0 luego se reduce (cada átomo de Fe captura 3 electrones). Oxidación: El C aumenta su E.O. de +2 a +4 luego se oxida (en este caso pasa de compartir 2e – con el O a compartir los 4 electrones).

13 Oxidantes y reductores OXIDANTES: El la sustancia capaz de oxidar a otra, con lo que ésta se reduce. REDUCTORES: El la sustancia capaz de reducir a otra, con lo que ésta se oxida. Ejemplo: Ejemplo: Zn + 2Ag + Zn Ag Zn + 2Ag + Zn Ag Oxidación: Zn (reductor) Zn e – Reducción: Ag + (oxidante) + 1e – Ag

14 Ejercicio A: Formule, complete y ajuste las siguientes reacciones, justificando de que tipo son: a) Cloruro de hidrógeno más amoniaco. b) Carbonato cálcico más calor. c) Cloro más sodio. d) Ácido sulfúrico más zinc metal Ejercicio A: Formule, complete y ajuste las siguientes reacciones, justificando de que tipo son: a) Cloruro de hidrógeno más amoniaco. b) Carbonato cálcico más calor. c) Cloro más sodio. d) Ácido sulfúrico más zinc metal a) HCl + NH 3 NH 4 Cl Ácido-base. No cambia ningún E.O. b) CaCO 3 CaO + CO 2 ( H<0) Descomposición. No cambia ningún E.O. c) ½ Cl 2 + Na NaCl E.O.: –1 Redox d) H 2 SO 4 + Zn ZnSO 4 + H 2 E.O.: – –2 0 Redox Cuestión de Selectividad (Marzo 98)

15 Ajuste de reacciones redox (método del ion-electrón) Se basa en la conservación tanto de la masa como de la carga (los electrones que se pierden en la oxidación son los mismos que los que se ganan en la reducción). Se trata de escribir las dos semirreacciones que tienen lugar y después igualar el nº de e – de ambas, para que al sumarlas los electrones desaparezcan.

16 Etapas en el ajuste redox Ejemplo: Zn + AgNO 3 Zn(NO 3 ) 2 + Ag Primera: Identificar los átomos que cambian su E.O. Primera: Identificar los átomos que cambian su E.O. Zn(0) Zn(+2);Ag (+1) Ag (0) Segunda: Escribir semirreacciones con moléculas o iones que existan realmente en disolución ajustando el nº de átomos: (Zn, Ag +, NO 3 –, Zn 2+, Ag) Segunda: Escribir semirreacciones con moléculas o iones que existan realmente en disolución ajustando el nº de átomos: (Zn, Ag +, NO 3 –, Zn 2+, Ag) Oxidación: Zn Zn e – Reducción: Ag + + 1e – Ag Reducción: Ag + + 1e – Ag

17 Tercera: Ajustar el nº de electrones de forma que al sumar las dos semirreacciones, éstos desaparezcan. Tercera: Ajustar el nº de electrones de forma que al sumar las dos semirreacciones, éstos desaparezcan. En el ejemplo se consigue multiplicando la segunda semirreacción por 2. Oxidación: Zn Zn e – Reducción: 2Ag + + 2e – 2Ag R. global: Zn + 2Ag + + 2e – Zn Ag + 2e –

18 Cuarta: Escribir la reacción química completa utilizando los coeficientes hallados y añadiendo las moléculas o iones que no intervienen directamente en la reacción redox (en el ejemplo, el ion NO 3 – ) y comprobando que toda la reacción queda ajustada: Cuarta: Escribir la reacción química completa utilizando los coeficientes hallados y añadiendo las moléculas o iones que no intervienen directamente en la reacción redox (en el ejemplo, el ion NO 3 – ) y comprobando que toda la reacción queda ajustada: Zn + 2 AgNO 3 Zn(NO 3 ) Ag

19 Ajuste de reacciones en disolución acuosa ácida o básica. Si en una disolución aparecen iones poliatómicos con O (ej SO 4 2– ), el ajuste se complica pues aparecen también iones H +, OH – y moléculas de H 2 O. En medio ácido: En medio ácido: Los átomos de O que se pierdan en la reducción van a parar al agua (los que se ganen en la oxidación provienen del agua). Los átomos de O que se pierdan en la reducción van a parar al agua (los que se ganen en la oxidación provienen del agua). Los átomos de H provienen del ácido. Los átomos de H provienen del ácido. En medio básico: En medio básico: Los átomos de O que se ganan en la oxidación (o pierdan en la reducción) provienen de los OH –, necesitándose tantas moléculas de H 2 O como átomos de oxígeno se ganen o pierdan. Los átomos de O que se ganan en la oxidación (o pierdan en la reducción) provienen de los OH –, necesitándose tantas moléculas de H 2 O como átomos de oxígeno se ganen o pierdan.

20 Ejemplo: Ajuste redox en medio ácido KMnO 4 + H 2 SO 4 + KI MnSO 4 + I 2 + K 2 SO 4 + H 2 O Primera: Identificar los átomos que cambian su E.O.: Primera: Identificar los átomos que cambian su E.O.: –2 +1+6–2 +1 – – –2 +1 – –2 +1+6–2 +1 – – –2 +1 –2 KMnO 4 + H 2 SO 4 + KI MnSO 4 + I 2 + K 2 SO 4 + H 2 O KMnO 4 + H 2 SO 4 + KI MnSO 4 + I 2 + K 2 SO 4 + H 2 O Moléculas o iones existentes en la disolución: KMnO 4 K + + MnO 4 – KMnO 4 K + + MnO 4 – H 2 SO 4 2 H + + SO 4 2– H 2 SO 4 2 H + + SO 4 2– KI K + +I – KI K + +I – MnSO 4 Mn 2+ + SO 4 2– MnSO 4 Mn 2+ + SO 4 2– K 2 SO 4 2K + + SO 4 2– K 2 SO 4 2K + + SO 4 2– I 2 y H 2 O están sin disociar. I 2 y H 2 O están sin disociar.

21 Ejemplo: Ajuste redox en medio ácido KMnO 4 + H 2 SO 4 + KI MnSO 4 + I 2 + K 2 SO 4 + H 2 O Segunda: Escribir semirreacciones con moléculas o iones que existan realmente en disolución ajustando el nº de átomos: Segunda: Escribir semirreacciones con moléculas o iones que existan realmente en disolución ajustando el nº de átomos: Oxidación: 2 I – I 2 + 2e – Reducción: MnO 4 – + 8 H + + 5e – Mn H 2 O Los 4 átomos de O del MnO 4 – han ido a parar al H 2 O, pero para formar ésta se han necesitado además 8 H +.

22 Ejemplo: Ajuste redox en medio ácido KMnO 4 + H 2 SO 4 + KI MnSO 4 + I 2 + K 2 SO 4 + H 2 O Tercera: Ajustar el nº de electrones de forma que al sumar las dos semirreacciones, éstos desaparezcan: Tercera: Ajustar el nº de electrones de forma que al sumar las dos semirreacciones, éstos desaparezcan: Ox.: 5 x ( 2 I – I 2 + 2e – ) Red.: 2 x ( MnO 4 – + 8 H + + 5e – Mn H 2 O Reacción global: 10 I – + 2 MnO 4 – 5 I Mn H 2 O + 16 H e – + 10 e –

23 Ejemplo: Ajuste redox en medio ácido KMnO 4 + H 2 SO 4 + KI MnSO 4 + I 2 + K 2 SO 4 + H 2 O Cuarta: Escribir la reacción química completa utilizando los coeficientes hallados y añadiendo las moléculas o iones que no intervienen directamente en la reacción redox: Cuarta: Escribir la reacción química completa utilizando los coeficientes hallados y añadiendo las moléculas o iones que no intervienen directamente en la reacción redox: 2 KMnO H 2 SO 4 2 MnSO I KI 6 K 2 SO H 2 O La 6 moléculas de K 2 SO 4 (sustancia que no interviene en la reacción redox) se obtienen por tanteo.

24 Ejercicio B: a) Ajuste la siguiente reacción escribiendo las semirreacciones de oxido- reducción que se producen HClO + NaCl NaClO + H 2 O + Cl 2 b) Calcule el volumen de disolución de ácido hipocloroso 0,1 M que sería necesario utilizar para obtener 10 gramos de cloro. Datos: Masas atómicas: Cl=35,5 ; Na=23 ; 0=16 y H=1 Ejercicio B: a) Ajuste la siguiente reacción escribiendo las semirreacciones de oxido- reducción que se producen HClO + NaCl NaClO + H 2 O + Cl 2 b) Calcule el volumen de disolución de ácido hipocloroso 0,1 M que sería necesario utilizar para obtener 10 gramos de cloro. Datos: Masas atómicas: Cl=35,5 ; Na=23 ; 0=16 y H=1 a) Oxidación: 2 Cl – – 2 e – Cl 2 Reducción: 2 ClO – + 4 H e – Cl H 2 O R. global: 2 Cl – + 2 ClO – + 4 H + 2 Cl H 2 O 4 HClO + 2 NaCl 2 Cl NaClO + 2 H 2 O Se pueden dividir por 2 todos los coeficientes: 2 HClO + NaCl Cl 2 + NaClO + H 2 O b) 2 mol 71 g = n(HClO) = 0, 28 mol n(HClO) 10 g V= n/Molaridad = 0, 28 mol/0,1 mol x l –1 = 2,8 L Problema de Selectividad (Septiembre 98)

25 Ejemplo: Ajuste redox en medio básico Cr 2 (SO 4 ) 3 + KClO 3 + KOH K 2 CrO 4 + KCl + K 2 SO 4 + H 2 O Primera: Identificar los átomos que cambian su E.O.: Primera: Identificar los átomos que cambian su E.O.: – –2 +1– –2 +1 – –2 +1 – – –2 +1– –2 +1 – –2 +1 –2 Cr 2 (SO 4 ) 3 + KClO 3 + KOH K 2 CrO 4 + KCl + K 2 SO 4 + H 2 O Cr 2 (SO 4 ) 3 + KClO 3 + KOH K 2 CrO 4 + KCl + K 2 SO 4 + H 2 O Moléculas o iones existentes en la disolución: Cr 2 (SO 4 ) 3 2Cr SO 4 2– Cr 2 (SO 4 ) 3 2Cr SO 4 2– KClO 3 K + +ClO 3 – KClO 3 K + +ClO 3 – KOH K + + OH – KOH K + + OH – K 2 CrO 4 2 K + + CrO 4 2– K 2 CrO 4 2 K + + CrO 4 2– KCl K + + Cl – KCl K + + Cl – K 2 SO 4 2K + + SO 4 2– K 2 SO 4 2K + + SO 4 2– H 2 O está sin disociar. H 2 O está sin disociar.

26 Ejemplo: Ajuste redox en medio básico Cr 2 (SO 4 ) 3 + KClO 3 + KOH K 2 CrO 4 + KCl + K 2 SO 4 + H 2 O Segunda: Escribir semirreacciones con moléculas o iones que existan realmente en disolución ajustando el nº de átomos: Segunda: Escribir semirreacciones con moléculas o iones que existan realmente en disolución ajustando el nº de átomos: Oxidación: Cr OH – CrO 4 2– + 4 H 2 O + 3e – Los 4 átomos de O que se precisan para formar el CrO 4 – provienen de los OH – existentes en el medio básico. Se necesitan el doble pues la mitad de éstos van a parar al H 2 O junto con todos los átomos de H. Reducción: ClO 3 – + 3 H 2 O + 6e – Cl – + 6 OH – Se precisan tantas moléculas de H 2 O como átomos de O se pierdan. Así habrá el mismo nº de O e H.

27 Ejemplo: Ajuste redox en medio básico Cr 2 (SO 4 ) 3 + KClO 3 + KOH K 2 CrO 4 + KCl + K 2 SO 4 + H 2 O Tercera: Ajustar el nº de electrones de forma que al sumar las dos semirreacciones, éstos desaparezcan: Tercera: Ajustar el nº de electrones de forma que al sumar las dos semirreacciones, éstos desaparezcan: Ox.: 2 x ( Cr OH – CrO 4 2– + 4 H 2 O + 3e – ) Red.: ClO 3 – + 3 H 2 O + 6e – Cl – + 6 OH – Reacción global: 2 Cr OH – + ClO 3 – 2 CrO 4 2– + 8 H 2 O + 3 H 2 O + 6 e – + 6 e – + Cl – + 6 OH – 2 Cr OH – + ClO 3 – 2 CrO 4 2– + 5 H 2 O + Cl –

28 Ejemplo: Ajuste redox en medio básico Cr 2 (SO 4 ) 3 + KClO 3 + KOH K 2 CrO 4 + KCl + K 2 SO 4 + H 2 O Cuarta: Escribir la reacción química completa utilizando los coeficientes hallados y añadiendo las moléculas o iones que no intervienen directamente en la reacción redox: Cuarta: Escribir la reacción química completa utilizando los coeficientes hallados y añadiendo las moléculas o iones que no intervienen directamente en la reacción redox: 1 Cr 2 (SO 4 ) KOH + 1 KClO 3 1 Cr 2 (SO 4 ) KOH + 1 KClO 3 2 K 2 CrO H 2 O + 1 KCl + 3 K 2 SO 4 2 K 2 CrO H 2 O + 1 KCl + 3 K 2 SO 4 La 3 moléculas de K 2 SO 4 (sustancia que no interviene en la reacción redox) se obtienen por tanteo.

29 Valoración redox Similar a la valoración ácido base, debiendo determinar el número de moles de especie oxidante y reductora que reaccionan entre sí. El nº de moles de e que pierde el oxidante es igual a los que gana el reductor. Si a es el nº de e que captura el oxidante y b los que pierde el reductor, sabremos que a moles de reductor reaccionan con b moles de oxidante. Se necesita conocer qué especies químicas son los productos y no sólo los reactivos.

30 Todavía puede verse, al igual que en ácido-base, el concepto de masa equivalente, y el de normalidad. Para calcular la masa equivalente de una sustancia oxidante o reductora hay que dividir su masa molecular por el nº de e – ganados o perdidos: De esta manera: n eq (oxidante ) = n eq (reductora) Es decir: Para saber cual es la masa equivalente, además de saber de qué sustancia se trata, es necesario conocer en qué sustancia se transforma (semirreacción).

31 Ejemplo: Se valoran 50 ml de una disolución de FeSO 4 aciduladacon H 2 SO 4 con 30 ml de KMnO 4 0,25 M.¿Cuál será la concentración del FeSO 4 si el MnO 4 – pasa a Mn 2+ ? Ejemplo: Se valoran 50 ml de una disolución de FeSO 4 acidulada con H 2 SO 4 con 30 ml de KMnO 4 0,25 M.¿Cuál será la concentración del FeSO 4 si el MnO 4 – pasa a Mn 2+ ? Red.: MnO 4 – + 8 H + + 5e – Mn H 2 O Oxid.: Fe 2+ Fe e – Como el MnO 4 – precisa de 5e – para reducirse: N (KMnO 4 ) = 0,25 M x 5 = 1,25 N n eq (MnO 4 – ) = n eq (Fe 2+ ) n eq (MnO 4 – ) = n eq (Fe 2+ ) V (KMnO 4 ) x N (KMnO 4 ) = V (FeSO 4 ) x N (FeSO 4 ) 30 ml x 1,25 N N (FeSO 4 ) = = 0,75 N ; 0,75 M 50 ml

32 Ejercicio C: Cuando se hace reaccionar permanganato de potasio con ácido clorhídrico se obtienen, entre otros productos, cloruro de manganeso (II) y cloro molecular. a) Ajuste y complete la reacción. Calcule los pesos equivalentes del oxidante y del reductor. b) Calcule el volumen de cloro, medido en condiciones normales, que se obtendrá al hacer reaccionar 100 g de permanganato de potasio con exceso de ácido clorhídrico. Masas atómicas: K=39,1; Mn=54,9; O=16,0; Cl=35,5; H= 1,0. R = 0,082 atm L K -1 mol -1. Ejercicio C: Cuando se hace reaccionar permanganato de potasio con ácido clorhídrico se obtienen, entre otros productos, cloruro de manganeso (II) y cloro molecular. a) Ajuste y complete la reacción. Calcule los pesos equivalentes del oxidante y del reductor. b) Calcule el volumen de cloro, medido en condiciones normales, que se obtendrá al hacer reaccionar 100 g de permanganato de potasio con exceso de ácido clorhídrico. Masas atómicas: K=39,1; Mn=54,9; O=16,0; Cl=35,5; H= 1,0. R = 0,082 atm L K -1 mol -1. a) Oxidación: (2 Cl – – 2 e – Cl 2 )·5 Reducción: (MnO 4 – + 8 H e – Mn H 2 O)·2 R. global: 2 MnO 4 – + 16 H Cl – 2 Mn Cl 2 2 KMnO HCl 2 MnCl H 2 O + 5 Cl 2 +2 KCl Problema de Selectividad (Reserva 98)

33 Masa equivalente Masa equivalente Oxidante: KMnO 4 (158/5) g/eq = 31,6 g/eq Reductor: HCl(36,5/1) g/eq = 36,5 g /eq b) 2 KMnO HCl 5 Cl MnCl H 2 O +2 KCl 2·158 g 5·22,4 L = V(Cl 2 ) = 35,44 L 100 g V(Cl 2 )

34 Tipos de reacciones redox (según su espontaneidad). Reacciones espontáneas (se produce energía eléctrica a partir de la energía liberada en una reacción química): Reacciones espontáneas (se produce energía eléctrica a partir de la energía liberada en una reacción química): Pilas voltaicas Reacciones no espontáneas (se producen sustancias químicas a partir de energía eléctrica suministrada): Reacciones no espontáneas (se producen sustancias químicas a partir de energía eléctrica suministrada): Electrólisis Electrólisis

35 Pilas voltaicas. Si se introduce una barra de Zn en una disolución de CuSO 4 (Cu 2+ + SO 4 2– ) se producirá espontáneamente la siguiente reacción: Cu 2+ (aq) + Zn (s) Cu (s) + Zn 2+ (aq) El Zn se oxida (pierde electrones) y el Cu 2+ se reduce (los gana). Si hacemos que las reacciones de oxidación y reducción se produzcan en recipientes separados, los electrones circularán (corriente eléctrica).

36 Pilas voltaicas.

37 Tipos de electrodos. Se llama así a cada barra metálica sumergida en una disolución del mismo metal. En una pila hay dos electrodos: Ánodo (-): Se lleva a cabo la oxidación Ánodo (-): Se lleva a cabo la oxidación Allí van los aniones. Allí van los aniones. En el ejemplo anterior sería el electrodo de Zn. En el ejemplo anterior sería el electrodo de Zn. Cátodo (+): Se lleva a cabo la reducción Cátodo (+): Se lleva a cabo la reducción Allí van los cationes. Allí van los cationes. En el ejemplo anterior sería el electrodo de Cu. En el ejemplo anterior sería el electrodo de Cu.

38 Pila Daniell. Pila Daniell. Consta de dos semiceldas Consta de dos semiceldas Una con un electrodo de Cu en una disolución de CuSO 4 Una con un electrodo de Cu en una disolución de CuSO 4 Otra con un electrodo de Zn en una disolución de ZnSO 4. Otra con un electrodo de Zn en una disolución de ZnSO 4. © Ed. ECIR. Química 2º Bach.

39 Están unidas por un puente salino que evita que se acumulen cargas del mismo signo en cada semicelda. Están unidas por un puente salino que evita que se acumulen cargas del mismo signo en cada semicelda. Entre los dos electrodos se genera una diferencia de potencial que se puede medir con un voltímetro. Entre los dos electrodos se genera una diferencia de potencial que se puede medir con un voltímetro. © Ed. ECIR. Química 2º Bach.

40 Representación esquemática de una pila La pila anterior se representaría: Ánodo Puente salino Cátodo Zn (s) ZnSO 4 (aq) CuSO 4 (aq) Cu (s) Ánodo se lleva a cabo la oxidación: Zn – 2 e – Zn 2+. Cátodo se lleva a cabo la reducción: Cu e – Cu.

41 Pilas comerciales. (Imágenes cedidas por © Grupo ANAYA. S.A. Química 2º Bachillerato) Alcalina De mercurio (botón) Salina

42 Potencial de reducción. Las pilas producen una diferencia de potencial ( ε pila ) que puede considerarse como la diferencia entre los potenciales de reducción de los dos electrodos que la conforman. Consideraremos que cada semirreacción de reducción viene dada por un potencial de reducción. Como en el cátodo se produce la reducción, en todas las pilas ε catodo > ε ánodo.

43 Cada pareja de sustancia oxidante-reductora tendrá una mayor o menor tendencia a estar en su forma oxidada o reducida. El que se encuentre en una u otra forma dependerá de la otra pareja de sustancia oxidante-reductora. ¿Qué especie se reducirá? Sencillamente, la que tenga un mayor potencial de reducción.

44 Electrodos de Hidrógeno. Al potencial de reducción del electrodo de hidrógeno se le asigna por convenio un potencial de 00 V para [H + ] = 1 M. Reacción de reducción: 2 H e – H 2 ε H + /H 2 = 0 V (a 25º C) ε H + /H 2 = 0 V (a 25º C) Un electrodo de hidrógeno es una lámina de platino sobre el que se burbujea H 2 a una presión de 1 atm a través de una disolución 1 M de H +.

45 Pilas con hidrógeno Imagen cedida por © Santillana. Química 2º Bach.

46 Tabla de potenciales de reducción SistemaSemirreacciónE° (V) Li + / Li Li + 1 e – Li –3,04 K + / K K e – K –2,92 Ca 2+ /Ca Ca e – Ca –2,87 Na + / Na Na e – Na –2,71 Mg 2+ / Mg Mg e – Mg –2,37 Al 3+ / Al Al e – Al –1,66 Mn 2+ / Mn Mn e – Mn –1,18 Zn 2+ / Zn Zn e – Zn –0,76 Cr 3+ / Cr Cr e – Cr –0,74 Fe 2+ / Fe Fe e – Fe –0,41 Cd 2+ / Cd Cd e – Cd –0,40 Ni 2+ / Ni Ni e – Ni –0,25 Sn 2+ / Sn Sn e – Sn –0,14 Pb 2+ / Pb Pb e – Pb –0,13 H + / H 2 2 H e – H 2 0,00 Cu 2+ / Cu Cu e – Cu 0,34 I 2 / I – I e – 2 I – 0,53 MnO 4 – /MnO 2 MnO 4 – ` + 2 H 2 O + 3 e – MnO OH – 0,53 Hg 2+ / Hg Hg e – 2 Hg 0,79 Ag + / Ag Ag e – Ag 0,80 Br 2 / Br – Br e – 2 Br – 1,07 Cl 2 / Cl – Cl e – 2 Cl – 1,36 Au 3+ / Au Au e – Au 1,500 MnO 4 – / Mn 2+ MnO 4 – ` + 8 H e – Mn H 2 O 1,51

47 Metales frente a ácidos. Según sea el potencial de reducción del metal menor o mayor que 0 reaccionará o no reaccionará con los ácidos para [H+] = 1 M. Toda pareja oxidante-reductora que tenga más tendencia a reducirse que los H + tendrán un potencial de reducción ε > 0. Así, el Cu no reacciona con ácidos en concentraciones normales: Cu + 2 H + no reacciona. Toda pareja oxidante-reductora que tenga menos tendencia a reducirse que los H + tendrán un potencial de reducción ε < 0. Así, el Zn reacciona con ácidos desprendiendo hidrógeno: Zn + 2 H + Zn 2+ + H 2

48 Ejemplo: Decir si será espontánea la siguiente reacción redox: Cl 2 (g) + 2 I – (aq) 2Cl – (aq) + I 2 (s) La reacción dada es la suma de las siguientes semirreacciones: Red. (cátodo): Cl 2 (g) + 2e – 2Cl – (aq) Oxid. (ánodo): 2 I – (aq) I 2 (s) + 2e – Para que la reacción sea espontánea tiene que cumplirse que ε pila > 0: ε pila = ε cátodo – ε ánodo = +136 V – 054 V = ε pila = ε cátodo – ε ánodo = +136 V – 054 V = = +072 V > 0 = +072 V > 0 luego es espontánea (las moléculas de Cl 2 tienen más tendencia a reducirse que las de I 2 ).

49 Ejercicio D: Una pila consta de un electrodo de Mg introducido en una disolución 1 M de Mg(NO 3 ) 2 y un electrodo de Ag en una disolución 1 M de AgNO 3. ¿Qué electrodo actuará de cátodo y de ánodo y cuál será el voltaje de la pila correspondiente? ¿Qué especie se reduce? La que tenga mayor potencial de reducción. En este caso la Ag (+0,80 V) frente a los –2,37 V del Mg. Red. (cátodo): Ag + (aq) + 1e – Ag(s) Oxid. (ánodo): Mg(s) Mg 2+ (aq) + 2e – ε pila = ε catodo – ε ánodo = +0,80 V – (–2,37 V) ε pila = ε catodo – ε ánodo = +0,80 V – (–2,37 V) ε pila = 3,17 V ε pila = 3,17 V

50 Ejercicio E: Dada la siguiente tabla de potencia- les normales expresados en voltios: a) Escriba el nombre de: -La forma reducida del oxidante más fuerte. -Un catión que pueda ser oxidante y reductor. -La especie más reductora. -Un anión que pueda ser oxidante y reductor. b) Escriba y ajuste dos reacciones que sean espontaneas entre especies de la tabla que correspondan a: -Una oxidación de un catión por un anión. -Una reducción de un catión por un anión. Ejercicio E: Dada la siguiente tabla de potencia- les normales expresados en voltios: a) Escriba el nombre de: -La forma reducida del oxidante más fuerte. -Un catión que pueda ser oxidante y reductor. -La especie más reductora. -Un anión que pueda ser oxidante y reductor. b) Escriba y ajuste dos reacciones que sean espontaneas entre especies de la tabla que correspondan a: -Una oxidación de un catión por un anión. -Una reducción de un catión por un anión. Cuestión de Selectividad (Junio 98) Par redox E 0 (V) Cl 2 / Cl – 1,35 ClO 4 – /ClO 3 – 1,19 ClO 3 – /ClO 2 – 1,16 Cu 2+ /Cu 0 0,35 SO 3 2– / S 2– 0,23 SO 4 2– / S 2– 0,15 Sn 4+ /Sn 2+ 0,15 Sn 2+ / Sn 0 -0,14 Cl – Sn 2+ ClO 3 – ClO 3 – + Sn H + ClO 2 – + Sn 4+ + H 2 O S 2– + 4 Cu H 2 O SO 4 2– + 8 H Cu Sn 0

51 Electrólisis Cuando la reacción redox no es espontánea en un sentido, podrá suceder si desde el exterior se suministran los electrones. En el ejercicio D anterior en el que el electrodo de Magnesio hacía de ánodo y se oxidaba frente al de plata que hacía de cátodo formando una pila de f.e.m = 3,17 V, se puede forzar la formación de Mg(s) (reducción) si desde el exterior se suministran los 3,17 V que se necesitan vencer (por ejemplo usando una pila que proporcione mayor voltaje).

52 Aplicaciones de la electrólisis. Se utiliza industrialmente para obtener metales a partir de sales de dichos metales utilizando la electricidad como fuente de energía. Se utiliza industrialmente para obtener metales a partir de sales de dichos metales utilizando la electricidad como fuente de energía. Se llama galvanoplastia al proceso de recubrir un objeto metálico con una capa fina de otro metal: Se llama galvanoplastia al proceso de recubrir un objeto metálico con una capa fina de otro metal: Ejemplo: Zn e – Zn (cincado) (en este caso los electrones los suministra la corriente eléctrica)

53 Aplicaciones de la electrólisis. © Editorial ECIR. Química 2º Bachillerato. Electrorrefinado del Cu. Electrodeposición de Ag.

54 Comparación de la polaridad de los electrodos en pilas y electrólisis. © ECIR. Química 2º Bachillerato

55 Electrólisis. Ecuación de Faraday. La carga de un electrón es de 16 x 10 –19 C y la de 1 mol de electrones (602 x ) es el producto de ambos números: C = 1 F. Con un mol de electrones se es capaz de reducir 1 mol de metal monovalente o ½ mol de metal divalente, es decir, un equivalente del metal (M at /valencia). 1 equivalente precisa C n eq (m (g)/M eq ) precisarán Q

56 De la proporción anterior se deduce: m Q n eq = = M eq C/eq m Q n eq = = M eq C/eq De donde, sustituyendo Q por I · t (más fáciles de medir) y despejando m se obtiene:

57 Ejemplo: Se realiza la electrólisis de un disolución de tricloruro de hierro, haciendo pasar una corriente de 10 A durante 3 horas. Calcula la cantidad de hierro depositado en el cátodo. El tricloruro en disolución estará disociado: FeCl 3 3 Cl – + Fe 3+ La reducción será: Fe e – Fe M eq x I x t (55,8/3) g/eq x 10 A x 3 x 3600 s m (g) = = C/eq96500 C/eq M eq x I x t (55,8/3) g/eq x 10 A x 3 x 3600 s m (g) = = C/eq96500 C/eq m (g) = 20,82 g m (g) = 20,82 g

58 Ejercicio F: Una corriente de 4 amperios circula durante 1 hora y 10 minutos a través de dos células electrolíticas que contienen, respectivamente, sulfato de cobre (II) y cloruro de aluminio, a) Escriba las reacciones que se producen en el cátodo de ambas células electrolíticas. b) Calcule los gramos de cobre y aluminio metálicos que se habrán depositado. Datos: Masas atómicas: Cu = 63,5 y Al = 27,0. Constante de Faraday : F = C·eq -1 a) Cu e – Cu; Al e – Al b) M eq · I · t (63,5/2) g/eq·4 A· 4200 s m (Cu) = = = 5,53 g C/eq C/eq M eq · I · t (63,5/2) g/eq·4 A· 4200 s m (Cu) = = = 5,53 g C/eq C/eq M eq · I · t (27,0/3) g/eq·4 A· 4200 s m (Al) = = = 1,57 g C/eq C/eq M eq · I · t (27,0/3) g/eq·4 A· 4200 s m (Al) = = = 1,57 g C/eq C/eq Problema Selectividad (Junio 98)

59 Ejercicio F: La figura adjunta representa una celda para la obtención de cloro mediante electrólisis. Conteste a las siguientes cuestiones: a) Escriba las reacciones que tienen lugar en el ánodo y en el cátodo. b) Señale cuál es la de oxidación y cuál la de reducción. c) La disolución inicial de cloruro sódico tiene un pH = 7. Se produce modificación del pH durante la electrólisis? ¿Por qué? d) ¿Por qué se obtiene hidrógeno en lugar de sodio metálico? Cuestión Selectividad (Reserva 98)

60 a) Ánodo: 2 Cl – (aq) Cl 2 (g) + 2 e – (1) a) Ánodo: 2 Cl – (aq) Cl 2 (g) + 2 e – (1) Cátodo: 2 H + (aq) + 2 e – H 2 (g) (2) Cátodo: 2 H + (aq) + 2 e – H 2 (g) (2) b) Oxidación: ánodo (1). Reducción: cátodo (2). b) Oxidación: ánodo (1). Reducción: cátodo (2). c) Al ir disminuyendo [H + ], el pH va aumentando puesto que los OH – traspasan el diafragma poroso para compensar la perdida de Cl –. c) Al ir disminuyendo [H + ], el pH va aumentando puesto que los OH – traspasan el diafragma poroso para compensar la perdida de Cl –. d) Porque el potencial de reducción del H 2 es mayor que el del Na. y se precisa menos voltaje para que se produzca la electrólisis. El del H 2 [2 H + (aq) + 2e – H 2 (g)] es 0,0 V y se toma como unidad, mientras que el del Na [Na + (aq) + 1e – Na (s)] es negativo (el Na, al ser un metal alcalino es muy fácilmente oxidable). d) Porque el potencial de reducción del H 2 es mayor que el del Na. y se precisa menos voltaje para que se produzca la electrólisis. El del H 2 [2 H + (aq) + 2e – H 2 (g)] es 0,0 V y se toma como unidad, mientras que el del Na [Na + (aq) + 1e – Na (s)] es negativo (el Na, al ser un metal alcalino es muy fácilmente oxidable).

61 Electrólisis del NaCl La reacción 2 Na + Cl 2 2 NaCl es una reacción espontánea puesto que E(Cl 2 /2Cl – ) > E(Na + /Na) Y lógicamente, la reacción contraria será no espontánea: 2 NaCl 2 Na + Cl 2 Red. (cátodo): 2 Na + (aq) + 2e – 2 Na (s) Oxid. (ánodo): 2Cl – (aq) Cl 2 (g) + 2e – E pila = E catodo – E ánodo = –271 V – 136 V = – 407 V El valor negativo de E pila reafirma que la reacción no es espontánea. Pero suministrando un voltaje superior a 407 V se podrá descomponer el NaCl en sus elementos: Na y Cl 2

62 Electrólisis del NaCl © Ed. Santillana. Química 2º Bachillerato

63 Corrosión. Gota de agua corroyendo una superficie de hierro. © Ed. Santillana. Química 2º Un problema muy importante es la corrosión de los metales; por ejemplo, el hierro: Oxid. (ánodo): Fe (s) Fe 2+ (aq) + 2e – Red. (cátodo): O 2 (g) + 4 H + (aq) + 4e – 2 H 2 O(l) O 2 (g) + 4 H + (aq) + 4e – 2 H 2 O(l) En una segunda fase el Fe 2+ se oxida a Fe 3+ : 4 Fe 2+ (aq) + O 2 (g) + 4 H 2 O(l) 2 Fe 2 O 3 (s) + 8 H + (aq)

64 Protección catódica. Sirve para prevenir la corrosión. Consiste en soldar a la tubería de hierro a un ánodo de Mg que forma una pila con el Fe y evita que éste se oxide, ya que que quien se oxida es el Mg. Tubería protegida por un ánodo de Magnesio. © Grupo ANAYA S.A. Química 2º.

65 Ajusta por el método del ion-electrón las siguientes reacciones en medio ácido: a)K 2 Cr 2 O 7 + HI + HClO 4 Cr(ClO 4 ) 3 + KClO 4 + I 2 + H 2 O b)Sb 2 S 3 + HNO 3 Sb 2 O 5 + NO 2 + S + H 2 O c)KIO 3 + KI + H 2 SO 4 I 2 + K 2 SO 4 + H 2 O d)K 2 Cr 2 O 7 + HCl CrCl 3 + Cl 2 + KCl + H 2 O e)I 2 + HNO 3 NO + HIO 3 + H 2 O f)KMnO 4 + FeCl 2 + HCl MnCl 2 + FeCl 3 + KCl + H 2 O a) K 2 Cr 2 O 7 + HI + HClO 4 Cr(ClO 4 ) 3 + KClO 4 + I 2 + H 2 O reducciónoxidación Red: Cr 2 O 7 2– + 14 H e – 2 Cr H 2 O Ox:(2 I – – 2 e – I 2 ) · 3 Cr 2 O 7 2– + 14 H I – 2 Cr H 2 O + 3 I 2 2K + 8ClO 4 - K 2 Cr 2 O HI + 8 HClO 4 2 Cr(ClO 4 ) KClO I H 2 O

66 Ajusta por el método del ion electrón las siguientes reacciones en medio básico: a)MnO 2 + KClO 3 + KOH K 2 MnO 4 + KCl + H 2 O; b)Br 2 + KOH KBr + KBrO 3 + H 2 O; c)KMnO 4 + NH 3 KNO 3 + MnO 2 + KOH + H 2 O a) MnO 2 + KClO 3 + KOH K 2 MnO 4 + KCl + H 2 O oxidaciónreducción Oxid: (MnO OH – MnO 4 2– + 2 H 2 O + 2 e – ) · 3 Reduc:ClO 3– + 3 H 2 O + 6 e – Cl – + 6 OH – 3 MnO OH – + ClO 3– + 3 H 2 O 3 MnO 4 2–- + 6 H 2 O + Cl – + 6 OH – 3 MnO OH – + ClO 3 – 3 MnO 4 2– + 3 H 2 O + Cl – 6 K + K + 7 K + 3 MnO 2 + KClO KOH 3 K 2 MnO 4 + KCl + 3 H 2 O

67 Ajustar por el método del ion-electrón, la reacción de oxidación de yoduro de potasio a yodo mediante clorato de potasio en medio básico (pasando a cloruro de potasio). ¿Cuánto clorato de potasio se necesitará para obtener 250 g de yodo suponiendo que la reacción es total?

68 Ponemos en un vaso de precipitados 175 ml de cloruro de hierro (II), acidulados con HCl, que se valoran con 47 ml. de una disolución de dicromato de potasio 0,20 M, a)Formula y ajusta la reacción redox sabiendo que se forman cloruro de hierro (III) y cloruro de cromo (III); b)calcular la masa de cloruro de hierro (II) contenida en el vaso.

69 Los potenciales normales de reducción en condiciones estándar de los pares Cu 2+ /Cu, Pb 2+ /Pb y Zn 2+ /Zn son respectivamente, 0,34 V, –0,13 V y –0,76 V. a)Explica, escribiendo las reacciones correspondientes qué metal/es producen desprendimiento de hidrógeno al ser tratados con un ácido b)Haz un esquema y escribe las reacciones de ánodo y cátodo de la pila formada por electrodos de Zn y Pb. a) Para desprender H 2 es necesario que los H + del ácido se reduzcan a H 2 2 H e – H 2 Como el potencial de dicha reacción es 0,00 V, los metales deben oxidarse M M n+ +ne - liberando los e – necesarios. Se oxidan los de potencial de reducción menor que el del H 2, es decir, los que tienen potencial de reducción negativos como Pb y Zn. Ánodo (-) (oxidación): Pb(s) Pb 2+ (ac) + 2 e – ; Cátodo (+) (reducción): 2 H + (ac) + 2 e – H 2 (g) Reac. Global: Pb(s) + 2 H + (ac) Pb 2+ (ac) + H 2 (g); Ánodo (-) (oxidación): Zn(s) Zn 2+ (ac) + 2 e – ; Cátodo (+) (reducción): 2 H + (ac) + 2 e – H 2 (g) Reac. Global:Zn(s) + 2 H + (ac) Zn 2+ (ac) + H 2 (g);

70 Los potenciales normales de reducción en condiciones estándar de los pares Cu 2+ /Cu, Pb 2+ /Pb y Zn 2+ /Zn son respectivamente, 0,34 V, –0,13 V y –0,76 V. a)Explica, escribiendo las reacciones correspondientes qué metal/es producen desprendimiento de hidrógeno al ser tratados con un ácido b)Haz un esquema y escribe las reacciones de ánodo y cátodo de la pila formada por electrodos de Zn y Pb. b) Se reduce el de mayor potencial de reducción, esto es, el plomo, oxidándose el cinc. Cátodo (+) (reducción): Plomo Pb 2+ (ac) + 2 e – Pb(s) Ánodo (–) (oxidación):Cinc Zn(s) – 2 e – Zn 2+ (ac) Δ Ɛ PILA = Ɛ cátodo – Ɛ ánodo = –0,13 V –(–0,76) = 0,63 V El esquema de la pila: Zn(s)|Zn 2+ (ac) || Pb 2+ (ac)|Pb (s)

71 Una muestra de 20 g de latón (aleación de cinc y cobre) se trata con ácido clorhídrico, desprendiéndose 2,8 litros de hidrógeno gas medidos a 1 atm y 25 ºC. a)Formule y ajuste la reacción o reacciones que tienen lugar. b)Calcule la composición de la aleación, expresándola como % en peso. Datos: R = 0,082 atm·l·K –1 ·mol –1 ; E 0 (Zn 2+ /Zn) = –0,76 V; E 0 (Cu 2+ /Cu) = +0,34 V; E 0 (H + /H 2 ) = 0,00 V

72 Dados los datos de potencial estándar de reducción de los siguientes sistemas: E o (I 2 /I – ) = 0,53 V; E o (Br 2 /Br – ) = 1,07 V Eo(Cl 2 /Cl – ) = 1,36 V. Indica razonadamente: a)¿Cuál es la especie química más oxidante entre otras las mencionadas anteriormente? b)¿Cuál es la forma reducida con mayor tendencia a oxidarse? c)¿Es espontánea la reacción entre el cloro molecular y el ion ioduro? d)¿Es espontánea la reacción entre el ion cloruro y el bromo molecular?

73 Los electrodos de una pila galvánica son de aluminio y cobre. a)Escriba las semirreacciones que se producen en cada electrodo, indicando cuál será el ánodo y cuál será el cátodo b)Calcule la fuerza electromotriz de la pila. c)¿Cuál será la representación simbólica de la pila? d)Razone si alguno de los dos metales produciría hidrógeno gaseoso al ponerlo en contacto con ácido sulfúrico. Datos: Potenciales normales; Al 3+ / Al = –1,67 V Cu 2+ /Cu = 0,35 V; H + / H 2 = 0,00 V.

74 El ácido nítrico en disolución 1 M reacciona con níquel metálico produciendo nitrato de níquel y monóxido de nitrógeno. Calcule el potencial normal de la reacción y deduzca si se produciría esta reacción con el oro metal. Indique los agentes oxidante y reductor en cada caso: Datos: E o (NO 3– /NO) = 0,96 V ; E o (Ni 2+ /Ni) = -0,25 V ; E o (Au 3+ /Au) =1,50 V.

75 Dada la siguiente tabla de potenciales normales: a)Escriba la notación de una pila en la que ambos electrodos sean metálicos, eligiendo los dos pares redox que den lugar a una fuerza electromotriz máxima y calcule el valor de la misma. b)Calcule la diferencia de potencial mínima que se debe aplicar a una celda electrolítica que contiene cloruro ferroso fundido para que se deposite el metal.

76 Electrolizamos una disolución de sulfato de cinc (II) usando corriente de 15 A: durante 5 minutos, la cantidad de metal depositada en el cátodo es de 1,53 g; a)escribe la reacciones que se producen en ánodo y cátodo (sabemos que el ánodo se desprende O 2 y que disminuye el pH de la disolución); b)calcula la masa atómica del Zn.

77 Durante la electrólisis del cloruro de magnesio fundido: a)¿cuántos gramos de Mg se producen cuando pasan 5,80·10 3 Culombios a través de la célula? b)¿cuánto tiempo se tarda en depositar 1,50 g de Mg con una corriente de 15 A?

78 Deseamos recubrir de plata un tenedor metálico mediante la electrólisis de una disolución de nitrato de plata. ¿Actuará como ánodo o como cátodo el tenedor? ¿Durante cuánto tiempo tiene que pasar una corriente de 2 A para platear la superficie de 20 cm 2 si se desea que la capa depositada sea de 0,1 mm de espesor sabiendo que la densidad de la plata es de 10,5 g/cm 3 ?


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