Pregunta 11 · Complements de química URV Juny 2012

Tema: Reacciones redox y electroquímica · Del examen Juny (2012)

Enunciado

Pregunta 11 (Bloque C). Pila electroquímica y ecuación de Nernst con permanganato y cerio

El permanganato potásico oxida al catión $\mathrm{Ce^{3+}}$ en medio acuoso ácido.

Escriba y ajuste las semirreacciones y la reacción iónica global que tiene lugar.

Esquematice la pila galvánica correspondiente, señalando claramente el ánodo, el cátodo, la polaridad de los electrodos y el sentido del flujo de electrones.

Calcule la fuerza electromotriz estándar ( $E^\circ$ ), la variación de energía libre estándar ( $\Delta G^\circ$ ) y la constante de equilibrio $K$ de la reacción a $25\,^\circ\mathrm{C}$ .

Calcule el potencial de la reacción a $25\,^\circ\mathrm{C}$ en una disolución con $\mathrm{pH} = 2$ si todas las demás especies se mantienen en condiciones estándar ( $1\,\mathrm{M}$ ). A partir del resultado, indique si el proceso continúa siendo espontáneo en estas condiciones.

Sí

Datos

$E^\circ(\mathrm{MnO_4^-/Mn^{2+}}) = 1{,}51\,\mathrm{V}$ ; $E^\circ(\mathrm{Ce^{4+}/Ce^{3+}}) = 1{,}44\,\mathrm{V}$ ; $F = 96485\,\mathrm{C\cdot mol^{-1}}$ ; $R = 8{,}314\,\mathrm{J\cdot mol^{-1}\cdot K^{-1}}$ .

Enunciado: Pregunta 11 · Complements de química URV Juny 2012

Solución

Según los criterios oficiales de corrección

a. Semirreacción de reducción (cátodo):

Solución: MnO4^- + 8H^+ + 5e^- -> Mn^2+ + 4H2O

a. Semirreacción de oxidación (ánodo):

Solución: Ce^3+ -> Ce^4+ + e^- / 5Ce^3+ -> 5Ce^4+ + 5e^-

a. Reacción iónica global ajustada:

Solución: MnO4^- + 5Ce^3+ + 8H^+ -> Mn^2+ + 5Ce^4+ + 4H2O

b. Esquematice la pila galvánica correspondiente, señalando claramente el ánodo, el cátodo, la polaridad de los electrodos y el sentido del flujo de electrones.

Solución: Ánodo (polo negativo, -): Electrodo inerte de platino sumergido en disolución de Ce³⁺ y Ce⁴⁺. Pt(s) | Ce³⁺(ac), Ce⁴⁺(ac). Cátodo (polo positivo, +): Electrodo inerte de platino sumergido en disolución ácida de MnO₄⁻, Mn²⁺ y H⁺. MnO₄⁻(ac), Mn²⁺(ac), H⁺(ac) | Pt(s). Puente salino: Conecta ambas semiceldas manteniendo electroneutralidad. Flujo de electrones: Por el circuito externo desde el ánodo hacia el cátodo.

b. Descripción y componentes de la pila (materiales de electrodo, polaridad y flujo):

Solución: Ánodo (-): Pt(s) en Ce3+/Ce4+. Cátodo (+): Pt(s) en MnO4-/Mn2+/H+. Flujo de e- de ánodo a cátodo.

c. Calcule la fuerza electromotriz estándar (E°):

Solución: 0,07 V / 70 mV

c. Calcule la variación de energía libre estándar (ΔG°):

Solución: -33,77 kJ/mol / -33770 J/mol

c. Calcule la constante de equilibrio K de la reacción a 25 °C:

Solución: 8,25·10^5 / 8,25e5

d. Calcule el potencial de la reacción a 25 °C en una disolución con pH = 2:

Solución: -0,12 V / -0,1194 V / -120 mV

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