UNI FIQT – AACB Electroquímica V. PROBLEMAS DE ELECTROQUÍMICA 1. Balancear la siguiente ecuación química por el método del ion - electrón e indique la masa del oxidante necesario, para reaccionar con 500 mL de Na2C2O4 1,5 M. Na2C2O4 (aq) + KMnO4 (aq) + H2SO4 (aq) CO2 (g) Masa molar: Na2C2O4 = 134 g/mol; KMnO4 = 158 g/mo; H2SO4 = 98 g/mol 2. Balancear la siguiente ecuación química empleando el método del ion – Electrón y luego determine la masa del oxidante al con 15 % en masa de impurezas, necesarios para preparar una disolución, el cual debe oxidar 500 mL de disolución de etanol 1,2 M. K2Cr2O7 (aq) + CH3CH2OH (aq) + H2SO4 (aq) Cr3+ (aq) + CH3COOH (aq) 3. Balancear la siguiente ecuación química por el método ion electrón, empleando semiecuaciones de oxidación y reducción. K3Fe(CN)6 (aq) + Cr2O3 (s) + KOH (aq) K4Fe(CN)6 (aq) + CrO42- (aq) Luego determine la masa de K3Fe(CN)6 al 15 % de impurezas necesarios para producir 2,5 L de solución de K4Fe(CN)6 3 N. Rendimiento del proceso 74 % Masa molar del K3Fe(CN)6 = 329 g/mol 4. El dicromato de potasio, en medio ácido sulfúrico es capaz de oxidar al etanol en ácido etanoico y el dicromato pasa a ion cromo(III). Ajuste la ecuación que Ing. J. J. Flores Ramos 56 UNI FIQT – AACB Electroquímica corresponde a la reacción de oxidación-reducción y póngala en forma molecular. 5. Se sumergen varios metales en una solución que contienen sales de otros metales. Indicar en qué caso el metal en la solución se deposita sobre la barra metálica. Considere para ello los potenciales dados a continuación: Barra de Al sumergida en una solución de Cu+2 Barra de Cu sumergida en una solución de Al+3 Barra de Ag sumergida en una solución de Zn+2 Barra de Zn sumergida en una solución de Ag+ Cu+2 + 2e Cu Eº = +0,337 V Al+3 + 3e Al Eº = -1,662 V Ag+ + e Ag Eº = +0,799 V Zn+2 + 2e Zn Eº = -0,763 V 6. Considere los siguientes potenciales Redox: a) ClO- + H2O + 2 e- Cl- + 2 OH- Eº = +0,89 V b) Cr+3 + 3 e- Cr(s) Eº = -0,76 V c) Cu+2 + 2 e- Cu(s) Eº = +0,34 V d) Au+3 + 3 e- Au(s) Eº = +1,50 V e) Ag+ + e- Ag(s) Eº = +0,80 V Ing. J. J. Flores Ramos 57 UNI FIQT – AACB Electroquímica Si se coloca Cr(s), Cu(s), Ag(s) o Au(s), en contacto con una solución de hipoclorito de sodio (ClO-), ¿cuáles metales serán oxidados y cuáles no? Justifique en función de los potenciales de cada celda galvánica. M(s) + ClO- Eº =? Cl- + M+n 7. Considere los siguientes potenciales redox: Fe+3 + e- Fe+2 Eº = 0,77 V Hg+2 + 2e- Hg(ℓ) Eº = 0,79 V Si las concentraciones de [Fe+3] = 0,01M, [Fe+2] = 0,1 M y [Hg+2] = 0,001M, calcule el potencial de la siguiente pila galvánica e indique si esta será espontánea en el sentido indicado o no. Fe+3 + Hg (ℓ) Fe+2 + Hg+2 8. Calcule que voltaje se podría obtener al preparar una pila de acuerdo a la siguiente reacción: MnO2(s) + Ni(s) Mn+2 + Ni+2 Las concentraciones de Mn+2 y Ni+2 son 0,1M y el pH es 2. Considere los siguientes potenciales de semirreacción: MnO2 + 4 H+ + 2e Mn+2 + H2O Eº = +1,224 V Ni+2 + 2e Ni Eº = -0,257 V 9. Indique verdadero (V) o falso (F) a las proposiciones siguientes: a) Las celdas galvánicas primarias son recargables. b) El dicromato de potasio es un buen oxidante. c) El potencial de la celda de concentración: Cu (s) Cu2+ (0,02M) Ing. J. J. Flores Ramos Cu2+ (0,1M) Cu(s) es 0,06 V 58 UNI FIQT – AACB Electroquímica d) En las celdas galvánicas los cationes migran por el puente salino al cátodo para luego reducirse. e) El cloro puede desplazar al yodo de sus sales. f) El potencial estándar de una especie química a 25 ºC es una propiedad extensiva. g) El permanganato de potasio es un buen oxidante. 10. Se prepara una celda galvánica con el par Fe3+, Fe2+ y Cr2O72-, Cr3+ Eº=1,32 V Usando electrodos inertes y de Pt y una pared porosa. Determine: a) La constante de equilibrio b) Hacer la notación y esquema de la celda galvánica c) La fem de la celda, si Fe3+= Cr2O72- = 0,01M; Fe2+ = Cr3+ = 0,001M a pH = 1 d) ¿A qué valor de pH la celda galvánica es no espontánea? e) El potencial aparente de la celda galvánica Fe2+ /Fe Eº=-0,44 V, Fe3+/Fe Eº=-0,036 V 11. Se diseña una celda galvánica con el par: MnO4- (aq), Mn2+(aq) y Fe3+(aq) , Fe2+(aq) Usando los siguientes potenciales estándar a 25 ºC, (Ec. no balanceadas): Fe3+(aq) Fe2+(aq) ∆Eº = +0,77 V MnO4- (aq) + H+ MnO2 (s) ∆Eº = +1,67 V MnO2 (s) + H+ Mn2+(aq) ∆Eº = +1,28 V Determine o escribir: a) La constante de equilibrio en condiciones estándar a 25 ºC, b) La fuerza electromotriz de la celda si : Fe3+(aq) = MnO4- (aq) = 0,1 M Fe2+(aq) = Mn2+(aq) = 0,01 M ; pH = 1. c) Hacer la notación simplificada de la celda galvánica. Ing. J. J. Flores Ramos 59 UNI FIQT – AACB Electroquímica 12. Para la celda galvánica siguiente: C2O42- (0,1 M) /CO2 (g) // Cr2O72- (0,2 M), Cr3+ (0,1 M) , H+ (0,1 M) / Pt (s) Determine a partir de que pH la celda galvánica no genera corriente eléctrica. CO2 (g) / C2O42- (aq) Eº = - 0,49 V Cr2O72- (aq) / Cr3+ (aq) Eº = +1,33 V 13. La siguiente reacción redox se usa en solución ácida en la prueba de análisis del aliento para determinar el nivel de alcohol en la sangre: Cr2O72- (aq) + Cr3+ + C2H5OH (aq) CH3CHO (aq) a) Realice un balance de la ecuación por el método del ión electrón, empleando semiecuaciones. Considere que se ha usado ácido sulfúrico para obtener el medio ácido. b) ¿Qué volumen de una solución de dicromato de potasio, 0,9 M será necesario para reaccionar con 600 mL de cerveza al 5 % en volumen de etanol. Densidad del etanol = 0,789 g/mL 14. Un estudiante quiere construir una pila que contenga en una de las semiceldas una solución de iones V3+ y un electrodo inerte de paladio. La semirreacción de interés es V3+ (aq) + 3e- V (s) Sin embargo los únicos potenciales estándar a 25 ºC tabulados para el vanadio son: V3+ (aq) + V (s) Ing. J. J. Flores Ramos eV 2+ (aq) + V 2+ (aq) Eº = - 0,256 V 2e- Eº = +1,175 V 60 UNI FIQT – AACB Electroquímica También se dispone de las siguientes barras metálicas y de sus sales respectivas: Al, Co, Mg, Fe y Zn. ¿Qué diseño habrá realizado el estudiante para generar la mayor intensidad de corriente? a) Realice las reacciones que ocurren en el cátodo, ánodo y reacción neta. Hacer la notación simplificada y un dibujo empleando un puente salino de la pila, no olvide indicar el electrolito a emplear en puente salino. b) ¿Cuál es la constante de equilibrio a 25 ºC? c) Determine el cambio de energía libre estándar a 25 ºC d) ¿Cuál es la fuerza electromotriz de la pila, considerando las siguientes concetraciones molares? V3+ = 0,2 M y catión que origina el elemento elegido = 0,3 M Zn 2+/Zn Eº = - 0,760 V Al 3+/Al Eº = -1,676 V Co 2+/Co Eº = - 0,277 V Fe 2+/Fe Eº = -0,440 V Mg 2+/Mg Eº = -2,356 V 15. Indique verdadero (V) o falso (V) a las proposiciones siguientes: a) Durante la oxidación de un compuesto orgánico, puede disminuir la cantidad de hidrógenos. b) El peroxido de hidrógeno puede actuar como oxidante o reductor. d) En las celdas de concentración, el potencial estándar a 25 ºC es 0 e) En el acumulador de plomo, el ánodo es de plomo. f) En las celdas de combustible los electrodos son inertes. g) En las celdas galvánicas los cationes migran al cátodo por el puente salino, para Lugo reducirse. Ing. J. J. Flores Ramos 61 UNI FIQT – AACB Electroquímica h) En la electrolisis de una solución acuosa de sulfato cúprico, se obtiene cobre en el cátodo y dióxido de azufre en el ánodo. i) Para evitar la corrosión de un tanque de hierro, se debe soldar al tanque una cinta magnesio. j) En una pila seca el cátodo es grafito. k) Mediante la electroquímica se puede determinar la constante de equilibrio a una determinada temperatura. 16. Se prepara la siguiente pila. Una semicelda compuesta de un electrodo de plata sumergida en una solución de AgNO3 de concentración 0,01M se conecta a través de un puente salino con otra semicelda que contiene un electrodo de carbono sumergida en una solución que contiene hidroquinona (HQ) y benzoquinona (BQ) de concentración 0,1 M cada una a un determinado valor de pH. El voltaje obtenido de la pila es de 1,07 V. Calcule el pH de la solución de la segunda semicelda. Ag+ (ac) + HQ (ac) BQ (ac) + Ag (s) E= 1,07 V Considere las siguientes semirreacciones: Ag+ + e BQ + 2H+ + 2e Ag Eº = 0,800 V HQ Eº = 0,699 V 17. Considere los siguientes potenciales redox: 4 OH- Eº = 0,401 V Cu+2 + 2e Cu Eº = 0,337 V Fe+2 + 2e Fe Eº = -0,447 V O2 (g) + 2 H2O + 4e Ing. J. J. Flores Ramos 62 UNI FIQT – AACB Electroquímica Au+3 + 3e Au Eº = 1,498 V Ag+ + Ag Eº = 0,800 V Pd Eº = 0,951 V e Pd+2 + 2e Uno de los mayores problemas de la industria es la corrosión que sufren los metales cuando están en presencia de O2 y humedad. Calcule el potencial de todas las reacciones de oxidación en medio neutro (pH=7) y presión de oxígeno de 1 atm e indique el orden de “oxidabilidad” en esas condiciones considerando que la concentración del metal en solución para todas ellas es de 0,001M. O2 (g) + H2O (ℓ) + M (s) Mn+ + OH- 18. Considere el siguiente equilibrio : MnO2 (s) + Pd (s) + 4 H+(aq) Pd2+(aq) + Mn2+(aq) + 2 H2O Eº = 0,273 V Si las concentraciones de Mn2+ y Pd2+ son 0,1 M, ¿sobre qué pH la reacción no será espontánea en ese sentido? 19. Para el siguiente sistema determinar: PuO22+ -----Eº = 0,966 V ------PuO2+-----Eº = ¿? ----Pu4+ ---Eº = 1 V----Pu3+ Eº = 1,021V a) Para la celda Cu/Cu2+ (0,001 M) // PuO2+ (0,01 M), Pu4+(0,001 M)/Pt ¿Cuál es la fem a pH= 1? b) ¿Cuál es el potencial aparente de la celda? 20. Se dispone de 3 celdas electrolíticas conectadas en serie, conteniendo Celda A: AuCl3 , Celda B : NaCl, Celda C : CuCl2, se hace circular 3 F de Ing. J. J. Flores Ramos 63 UNI FIQT – AACB Electroquímica Corriente. Determinar el volumen total en litros de cloro gaseoso obtenido en condiciones normales. 21. En la electrolisis de una solución acuosa de ácido sulfúrico se hizo pasar Mediante electrodos inertes una corriente de 6 A durante 1,5 horas. Calcular a) La masa de agua que se descompone b) El volumen de hidrógeno y oxígeno obtenidos en CN 22. Se realiza una electrolisis de 50 mL de solución de NaCl 0,8 M durante 10 minutos, para lo cual se regula una fuente poder de tal forma que genera una intensidad de corriente de 2 A. Concluida la electrolisis se desconecta el sistema y los electrodos se lavan con agua destilada, la solución final se completa con agua destilada hasta 100 mL en una fiola. ¿Qué volumen de solución de acido clorhídrico 0,167 M será necesario para neutralizar dicha desolución? 23. Se realiza una electrolisis de 150 mL de solución de NaCl 0,8 M durante 1h y 15 minutos para lo cual se regula una fuente poder de tal forma que genera una intensidad de corriente de 22 A. Concluida la electrolisis se desconecta el sistema y los electrodos se lavan con agua destilada, la solución final se completa con agua destilada hasta 250 mL en una fiola. ¿Cuál es la molaridad de la solución de hidróxido de sodio que se ha formado como subproducto de la reacción redox? 24. Calcule la masa de cromo depositado en un cátodo de hierro y la cantidad de Cl2 liberado en un ánodo de grafito, sumergidos en una solución que contiene CrCl3 cuando por esa solución pasan durante 52 min una corriente de 11 A. CrCl3 (ac) Ing. J. J. Flores Ramos Cr+3 (ac) + 3 Cl- (ac) 64 UNI FIQT – AACB Electroquímica 25. Cuando tres celdas electrolíticas, que contienen NaCl fundido, MgCl2 fundido y FeCl3 fundido, se conectan en serie y se hace pasar una corriente eléctrica de 4 A durante 48,25 segundos, calcule la cantidad de Na, Mg y Fe metálicos depositados en cada cátodo. 26. Durante la obtención del “cobre electrolítico” se hace pasar por un electrodo de Cu metálico que pesa 2 Kg sumergido en una solución que contiene Cu 2+ . Se le aplica una corriente de 20 A y después de un tiempo, la masa del electrodo de Cu fue 2,5 Kg, ¿durante cuánto tiempo circuló la corriente? Dibuje un esquema del proceso indicando los electrodos respectivos. 27. Un alumno del curso de Química II desea cromar una pieza metálica cúbica de 10 cm de arista con una capa de cromo ( = 7,2 g/ml) de 0,01 cm. Se le aplica una fuente de corriente de 10 A, ¿durante cuánto tiempo debe aplicarse esta corriente para conseguir ese grosor de cromo? 28. Un alumno desea niquelar un objeto de hierro luego de haberlo trabajado en el torno, con la finalidad de conservar la pieza metálica, darle un mejor acabado y darle un valor agregado. Además requiere de oxígeno para su soldadura autógena. Para lo cual introduce en una solución acuosa de NiSO 4 1,0 M un ánodo de níquel y un cátodo de Fe. El cátodo de Fe tiene la forma que se muestra en la figura siguiente. Ésta celda se conecta en serie a otras dos celdas, una con electrodos de platino, solución acuosa de AgNO 3 1,2 M y el otro con electrodos de grafito, solución acuosa de CuSO4 1,4 M y posteriormente todo éste sistema se conecta a una batería adecuadamente. Escriba usted o determine: a) Las reacciones en el ánodo y cátodo que ocurre en cada celda. Ing. J. J. Flores Ramos 65 UNI FIQT – AACB Electroquímica b) El tiempo que debe durar la electrólisis para que con una corriente de 1,5 A se deposite un recubrimiento de níquel de 0,05 mm de espesor. c) El volumen total de oxígeno recolectado sobre agua a 20 ºC y 753 mm de Hg. Presión de vapor del agua a 20 ºC = 17,5 mm de Hg Masa atómica (u): Ni = 58,69, Ag = 107,87, Cu = 63,55 5,0 cm 0,5 cm 2,0 cm 29. En base a la siguiente información de los potenciales estándar a 25 ºC Sn2+ (aq) + 2 e- Sn (s) Eº = -0,137 V Sn4+ (aq) + 2 e- Sn2+ (aq) Eº = +0,154 V Ag2+ (aq) + 1 e- Ag+ (aq) Eº = +1,98 V Al3+ (aq) + 3 e- Al (s) Eº = -1,676 V Complete los datos que faltan en el siguiente diagrama, en medio básico: BrO4- (?) (?) 1,025 V BrO3- BrO- 1,065 V Br2 Br- 0,766 V 0,584 V Ing. J. J. Flores Ramos 66 UNI FIQT – AACB Electroquímica En base a la información anterior, diseñe una pila (célula) que genere la mayor intensidad de corriente y responda las siguientes preguntas: a) Hacer un dibujo de la pila diseñada, indicando los electrodos, electrolitos, puente salino o pared porosa, sentido del flujo de electrones, cationes, aniones y corriente eléctrica. b) Hacer la notación abreviada de la pila c) Determine el potencial aparente de la pila BrO4- BrO3- BrO- Br- Al3+ 0,01M 0,01M 0,01M 0,01M 0,1M Ag2+ Ag+ Sn4+ 0,1M 0,01M 0,1M Sn2+ H+ 0,01M 0,1M 30. Se diseña una celda galvánica con el par: MnO4- (aq), Mn2+(aq) y Fe3+(aq) , Fe2+(aq) Usando los siguientes potenciales estándar a 25 ºC, (Ec. no balanceadas): Fe3+(aq) Fe2+(aq) ∆Eº = +0,77 V MnO4- (aq) + H+ MnO2 (s) ∆Eº = +1,67 V MnO2 (s) + H+ Mn2+(aq) ∆Eº = +1,28 V Determine o escribir: a) La constante de equilibrio en condiciones estándar a 25 ºC, b) La fuerza electromotriz de la celda si : Fe3+(aq) = MnO4- (aq) = 0,1 M Fe2+(aq) = Mn2+(aq) = 0,01 M ; pH = 1, c) A partir de qué valor de pH, el proceso, es no espontáneo. 31. Un estudiante quiere construir una pila que contenga en una de las semiceldas una solución de iones V3+ y un electrodo inerte de paladio. La semirreacción de interés es V3+ (aq) + 3e- V (s) Sin embargo los únicos potenciales estándar a 25 ºC tabulados para el vanadio son: Ing. J. J. Flores Ramos 67 UNI FIQT – AACB Electroquímica V3+ (aq) + V (s) e- Eº = - 0,256 V V 2+ (aq) V 2+ (aq) + Eº = +1,175 V 2e- También se dispone de las siguientes barras metálicas y de sus sales respectivas: Al, Co, Mg, Fe y Zn. a) ¿Hacer el dibujo y la notación de la pila qué ha diseño el estudiante para generar la mayor intensidad de corriente? b) ¿Cuál es la fuerza electromotriz de la pila, considerando las siguientes concetraciones? V3+ = 0,2 M y catión que origina el elemento elegido = 0,3 M Zn 2+/Zn Eº = - 0,760 V Al 3+/Al Eº = -1,676 V Co 2+/Co Eº = - 0,277 V Fe 2+/Fe Eº = -0,440 V Mg 2+/Mg Eº = -2,356 V 32. Un alumno del curso de Química II desea cromar una pieza metálica cúbica de 10 cm de arista con una capa de cromo ( = 7,2 g/ml) de 0,01 cm, a partir de una solución acuosa de Cr3+. Se le aplica una fuente de corriente de 10 A, ¿durante cuánto tiempo debe aplicarse esta corriente para conseguir ese grosor de cromo? 33. Indique verdadero (V) o falso (V) a las proposiciones siguientes: a) Durante la oxidación de un compuesto orgánico se incrementa la cantidad de hidrógenos. ( ) b) En las celdas de concentración, el potencial estándar a 25 ºC es 0 ( ) c) En el acumulador de plomo, el ánodo es de plomo. ( ) d) En las celdas de combustible los electrodos son inertes. ( ) Ing. J. J. Flores Ramos 68 UNI FIQT – AACB Electroquímica e) En las celdas galvánicas los cationes migran al cátodo por el puente salino, para Lugo reducirse. ( ) f) En la electrolisis de una solución acuosa de sulfato cúprico, se obtiene cobre en el cátodo y dióxido de azufre en el ánodo. ( ) g) Para evitar la corrosión de un tanque de hierro, se debe soldar al tanque una cinta magnesio. h) En una pila seca el cátodo es grafito. ( ) ( ) 34. Para la pila a 25 ºC y pH = 2, cuya notación es: Fe(s) / Fe3+ (0,1 M) // Cr2O72- (0,1 M), Cr3+(0,01 M), H+(aq) / Pt(s) a) Determine la fuerza electromotriz de la pila a 25 ºC. b) A partir de que pH, la pila diseñada es no espontanea. Cr2O72- (aq) / Cr3+ (aq) Eº = ¿? Cr3+ (aq) / Cr2+ (aq) Eº = -0,424 V Cr2O72- (aq) / Cr2+ (aq) Eº = +1,058 V Cr2+ (aq) / Cr (s) Eº = -0,900 V Fe3+ (aq) / Fe2+ (aq) Eº = +0,771 V Fe2+ (aq) / Fe (s) Eº = -0,440 V 35. Se dispone de 3 celdas electrolíticas conectadas en serie, conteniendo las siguientes soluciones acuosas: Celda A: 800 mL de solución de AgNO 3 (2,2 M) y Cu(NO3 )2 (1,8 M), Celda B: 700 mL de solución de LiCl (2,4 M), Celda C: 800 mL de solución de CuSO4 (2,5 M), por la cual se hace circular 4 F de Corriente. Determine y/o escriba: a) Las reacciones en el cátodo y ánodo de cada celda electrolítica. Ing. J. J. Flores Ramos 69 UNI FIQT – AACB Electroquímica b) El volumen total de oxígeno producido en litros a 20 ºC y 1,7 atm recogidos sobre agua. Presión de vapor del agua a 20 ºC = 17,5 mm de Hg c) La concentración molar luego del proceso del nitrato de plata y nitrato de cobre(II). 36. El diagrama de Latimer es más útil para llevar a cabo cálculos de potenciales al cambiar el número de oxidación de un elemento en un proceso Redox, mientras que el diagrama de Frost da mayor información sobre la termodinámica. A continuación se indica el diagrama de Latimer en medio ácido y también se dispone de las siguientes barras metálicas y de sus sales respectivas: Fe, Co, Cu, Hg, Cd y Ag. +1,20 V ClO4- ClO3- +1,63 V +1,65 V +1,18 V ClO2- HClO +1,36 V Cl2 Fe/Fe2+ Eº = +0,44 V Cu/Cu2+ Eº = -0,34 V Co/Co2+ Eº = +0,28 V Cd/Cd2+ Eº = +0,40 V Hg/Hg2+ Eº = -0,85 V Ag/Ag+ Eº = -0,80 V Cl- Complete el diseño de la siguiente pila a pH = 2 y 25 ºC. Determine la fuerza electromotriz de la pila que origine la mayor intensidad de corriente, considerando las siguientes concentraciones: ClO3- = 0,2M, HClO = 0,1M y catión que origina el metal elegido = 0,3M. ………… // ClO3- (aq), HClO (aq) / Pt (s) Ing. J. J. Flores Ramos 70
