Pregunta B4 · Química PAU Madrid Extraordinaria 2018

a) Explique detalladamente cómo construir una pila Daniell.

Solución: Se disponen dos cubas o recipientes: uno con una disolución de sulfato de cinc conteniendo una lámina metálica de cinc (ánodo), y otro con una disolución de sulfato de cobre conteniendo una lámina metálica de cobre (cátodo). Ambas disoluciones se conectan mediante un puente salino (que contiene un electrolito inerte como $\mathrm{KCl}$ o $\mathrm{KNO_3}$) para mantener la neutralidad eléctrica, y los dos electrodos se unen externamente mediante un hilo conductor provisto de un voltímetro o interruptor.

b) Semirreacción que tiene lugar en el ánodo de la pila Daniell:

Solución: $\mathrm{Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2\,e^-}$

b) Semirreacción que tiene lugar en el cátodo de la pila Daniell:

Solución: $\mathrm{Cu^{2+}(aq) + 2\,e^- \rightarrow Cu(s)}$

b) Sentido del movimiento de los iones metálicos en sus respectivas disoluciones:

Solución: En el ánodo, los átomos de cinc metálico pasan a la disolución como iones $\mathrm{Zn^{2+}}$ (abandonan el electrodo hacia el seno de la disolución). En el cátodo, los iones $\mathrm{Cu^{2+}}$ disueltos se desplazan hacia el electrodo metálico de cobre para captar electrones y depositarse como cobre metálico.

c) Razone si en un recipiente de Pb se produce alguna reacción química cuando se adiciona una disolución de Cu2+.

Solución: Sí, se produce una reacción química espontánea en la que el plomo metálico del recipiente se oxida a $\mathrm{Pb^{2+}}$ y los iones $\mathrm{Cu^{2+}}$ se reducen a $\mathrm{Cu(s)}$. $$\mathrm{Pb(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Pb^{2+}(aq) + Cu(s)}$$ El potencial estándar de la reacción es: $$E^0 = E^0(\mathrm{Cu^{2+}/Cu}) - E^0(\mathrm{Pb^{2+}/Pb}) = 0{,}34 - (-0{,}13) = 0{,}47\ \mathrm{V} > 0$$ Al ser $E^0 > 0$, la variación de energía libre estándar es $\Delta G^0 = -nFE^0 < 0$, por lo que la reacción es espontánea y el recipiente de plomo es atacado.