Exercici 4 · Química UB 2017

Exercici 4. Reaccions redox i piles electroquímiques

Al laboratori es pot sintetitzar clor gasós, $\mathrm{Cl_2\ (g)}$, fent reaccionar permanganat de potassi ($\mathrm{KMnO_4}$) amb àcid clorhídric concentrat. En aquesta transformació química també es produeix clorur de manganès(II), $\mathrm{MnCl_2}$.

Dades:

$1\ \mathrm{F} = 96.500\ \mathrm{C/mol\ e^-}$; $\mathrm{PM(KMnO_4)} = 158\ \mathrm{g/mol}$; $\mathrm{PM(HCl)} = 36,5\ \mathrm{g/mol}$; $E^0(\mathrm{MnO_4^-/Mn^{2+}}) = +1,51\ \mathrm{V}$; $E^0(\mathrm{Cl_2/Cl^-}) = +1,36\ \mathrm{V}$; $R = 0,082\ \mathrm{atm\cdot L/(K\cdot mol)} = 8,31\ \mathrm{J/(K\cdot mol)} = 1,987\ \mathrm{cal/(K\cdot mol)}$.

a)

Escriviu l'equació química ajustada del procés redox pel mètode de l'ió-electró en medi àcid. Indiqueu quina espècie actua com a agent oxidant i quina com a reductor, i determineu els pesos equivalents d'ambdós reactius.

b)

Indiqueu l'esquema cel·lular de la pila electroquímica corresponent, assignant el signe i la funció a cada elèctrode.

c)

Calculeu el potencial estàndard de la pila ($E^0_\text{pila}$) i la constant d'equilibri ($K$) a $25\ ^\circ\mathrm{C}$.

d)

Si les concentracions són $[\mathrm{HCl}] = 1\ \mathrm{M}$, $[\mathrm{Mn^{2+}}] = 1\ \mathrm{M}$ i $[\mathrm{KMnO_4}] = 0,1\ \mathrm{M}$, trobeu el potencial cel·lular en aquestes condicions i deduïu si la reacció serà espontània.

e)

Analitzeu en termes termodinàmics l'espontaneïtat d'aquesta reacció en les condicions de l'apartat d ($\Delta G$).

f)

Quin volum de dissolució aquosa d'àcid clorhídric del $38\ \%$ en massa i densitat $1,2\ \mathrm{g/mL}$ serà necessari per generar $1\ \text{litre}$ de clor gas a $25\ ^\circ\mathrm{C}$ i $1\ \mathrm{atm}$?

g)

Raoneu qualitativament, sense fer càlculs numèrics, l'efecte que tindria un augment de la concentració de $\mathrm{KMnO_4}$ sobre la posició de l'equilibri i sobre el potencial elèctric de la pila.