Muy bien, pues buenas tardes. Vamos a empezar esta nueva sesión de química en el grado de física y vamos a seguir trabajando electroquímica. Y ahora vamos a ver reacciones redos espontáneas. Es decir, cuál es el criterio que nosotros vamos a establecer para predecir que una reacción redos es espontánea. Bien, para ello tenemos unos dispositivos que se denominan de diferente forma, aunque todo representa lo mismo. El dibujo que tenemos aquí es el esquema de lo que se entiende por una pila galvánica, por una celda galvánica, por una cuba galvánica. Todo es lo mismo. Quizás el término pila nos sea más familiar porque lo que vamos a ver ahora es cómo se obtiene energía eléctrica a partir de la reacción redos espontánea. Es decir, una reacción química de transferencia de electrones espontánea nos puede producir energía eléctrica. Y esto no es más que el fundamento de las pilas. Es que hay un número muy significativo de tipos de pilas, pero vamos a trabajar un poco cómo funciona una pila, cómo se describe una pila, cómo se calcula el potencial o la fuerza electromotriz de una pila y vamos a ver de qué depende. Como veis, estos nombres que os acabo de dar también se le puede llamar galvánica, voltaica o electroquímica, pila galvánica o voltaica o electroquímica. Según el libro que consultéis o veréis cómo son sinónimos, os podéis encontrar con cualquiera de estas expresiones que tenéis aquí. La pila, ¿no? Estamos hablando de pilas genéricamente. ¿Vale? Bien, en este esquema que tenéis aquí, veis que tenemos como dos compartimentos, ¿no? Dos compartimentos. Y cada compartimento le llamamos semicelta, o semipila, ¿no? O electrodo. Tenemos a la derecha el electrodo de cobre, que como veis es positivo, y a la izquierda el electrodo de zinc, que es el polo negativo. Después hablaremos del porqué de este signo. Bueno, siempre cuando dibujemos el esquema de una pila, a la izquierda el polo negativo, a la derecha el polo positivo. ¿Vale? Vamos a seguir avanzando. Bien, ¿cuál es el funcionamiento, pues, de una pila? Mira, fijaos, este es el esquema de lo que se llama la pila de Daniel. La pila de Daniel está formada por dos semipilas o por dos electrodos, como queréis llamarlo. A la derecha tenemos el electrodo de cobre, que no es más que una barra. La barra de cobre está sumergida en una disolución de sulfato de cobre, al cual se le llama electrolito. Y la barra de cobre se le llama electrodo. A la izquierda tenemos un electrodo de zinc, ¿vale? Que está sumergido en una disolución de sulfato de zinc. Si nosotros conectamos estos dos electrodos mediante un hilo conductor, como veis, por la parte externa, y ponemos un voltímetro, de momento no marca nada el voltímetro. Pero, si nosotros unimos estas dos semiceldas, estos dos electrodos, estas dos semipilas, mediante lo que se llama un puente salino, ¿y qué es un puente salino? Pues aquí tenéis un esquema, sería como un tubo en un, que contiene una disolución concentrada de crudo de sodio o de crudo de potasio. Y alguien dirá, oye, ¿y cómo es posible que yo pueda tener una disolución y no se escape por los agujeros, no? Bueno, es que en los extremos, aquí el dibujo nos está indicando... Hay unos trozos de algodón o de lana de vidrio. ¿No? Que se impregnan y se mojan de las distintas disoluciones del cloruro de sodio, del sulfato de cobre por un lado y del sulfato de zinc. Lo cual, al estar húmedo, pues permita que la migración de los iones pueda circular los iones. ¿No? Porque aquí, por dentro del circuito circulan los iones y por el cable circulan los electrones. ¿Vale? ¿Entendido? Es que los iones son especies conductoras de segunda especie, ¿no? Porque transportan electricidad también. Ya sabéis, el agua salada, ¿no? El agua de grifo es conductora. Es conductora porque tiene sales. El agua destilada, ¿no? Tiene muy baja conductividad. Entonces, a la derecha siempre nosotros ponemos lo que es el cátodo. El cátodo y el polo positivo de nuestra pila. El polo positivo, el cátodo, ahí tiene lugar la semirreacción de reducción. Acordaos, acordaos de lo que vimos. Lo vimos en la sesión anterior, ¿no? Que teníamos lo que tendríamos por una semirreacción de reducción. Es un proceso de ganancia de electrones. De ganancia de electrones. Buscadme dónde está el boli. Ahí está, ya va. ¿No? Tengo que la escribir. Bueno, lo haremos como podamos. Bien. Entonces, la semirreacción de reducción a la derecha y a la izquierda la semirreacción de oxidación. Acordaos que la semirreacción de reducción es un proceso de ganancia de electrones y la semirreacción de oxidación es un proceso de pérdida de electrones, ¿de acuerdo? Pérdida de electrones, ¿sí? Reducción y oxidación. Acordaos que en toda reacción redox el número de electrones ganados y perdidos ha de ser el mismo y la reacción global sería la suma de ambas semirreacciones. ¿Qué ocurre en la superficie del cátodo de cobre? Pues que se deposita los iones cobre, ¿no? Cogen electrones y se depositan como cobre metal. ¿De dónde vienen esos electrones? De la izquierda del ánodo, porque en el ánodo lo que ocurre es que el zinc pierde electrones, los cuales se van por el electrodo y por el circuito externo, para dar en disolución el ion zinc. Para dar en disolución el ion zinc, ¿de acuerdo? Y bueno, esta sería la reacción. Esta reacción es espontánea y entonces, ¿por qué es espontánea? Bueno, diremos que es espontánea porque, lo veremos después, porque incremento de H es negativo, ¿vale? ¿Y cuál es la función del puente salino? El puente salino tiene una doble función. Cerrar el circuito, cerrar el circuito, ¿no? Y mantener la electroneutralidad de las disoluciones. De manera que el anión del puente salino, que es el cloruro, se va al ánodo. ¿Por qué se va al ánodo? Porque la reacción que tiene lugar en el ánodo es pasar de zinc a zinc 2+. Se generan cargas positivas. Yo no puedo tener una disolución cargada positivamente. Entonces, el ion cloruro, que está ahí en el puente salino, va al ánodo para mantener la electroneutralidad del ánodo. ¿Y qué le pasa al ion sodio? Pues que el ion sodio tiene que irse al cátodo. ¿Por qué? Para mantener la electronectralidad, porque desaparece el ión cobre. El ión cobre gana electrones y se deposita. Entonces tiene que irse el ión sodio al cátodo. Entonces, mnemotécnicamente, en el puente salino, el anión al ánodo, el catión al cátodo. ¿Vale? Así no hay pérdida de equivocarse. Bueno, pues este es un poco el esquema de una pila. Bueno, ¿cuál es la notación simplificada? Pues ánodo, puente salino, cátodo. No, se escribe la forma reducida, la forma oxidada, etc. Es decir, la pila de Daniel, ¿qué ocurre en el ánodo? A la izquierda, ¿qué ocurre en el ánodo? Pues en el ánodo tiene lugar la semirreacción de oxidación. ¿Vale? La semirreacción de oxidación. Y por eso escribimos zinc a zinc 2+. Suponemos que tenemos concentraciones 1 molar. ¿Vale? Después, dos barras verticales, una forma de representar el puente salino. Una barra. Es indicar que tenemos dos fases. El zinc es sólido. Una barra, una disolución de zinc acuoso. Las dos barras es el puente salino. Y después, en el cátodo a la derecha, se escribe la reacción que tiene lugar. Que es pasar de cobre 2+, a cobre. ¿Vale? Aquí es pasar de zinc a zinc 2+. ¿Vale? Y cuando es una disolución acuosa, incluimos la concentración. Bueno, ¿cómo pueden ser estos electrodos? Los electrodos, como hemos visto ya, pueden ser un electrodo metálico de un metal activo, como puede ser el zinc, que está sumergido en una disolución de sus iones. ¿No? De ion-zinc. No será ion-zinc a pelo, será sulfato de zinc, nitrato de zinc, 1 molar. Normalmente, las concentraciones siempre son 1 molar, salvo que me indiquen lo contrario. Entonces, este electrodo que tenéis, pues sería, en un principio, si estuviese como cátodo, para pasarte. Zinc 2+. A zinc, barra vertical y zinc. Aquí tenemos otro electrodo donde la parte sólida es algo inerte, como es una barra de platino. Pero tenemos centras de disoluciones de hierro 2 y hierro 3. Entonces, ¿cómo se entiende esta? Bueno, se entiende desde el momento que lo que pasa es que el platino, la barra de platino, es un metal y a través de él se circulan los electrones. Entonces, si aquí tiene lugar una semirreacción de reducción basada de hierro 3 a hierro 2, por ejemplo, tengo que ganar un electrón. ¿De dónde viene ese electrón? Del hilo metálico y del platino, de la barra de platino, del electrodo de platino. En la superficie del platino estaría el electrón, que lo cogerá, ¿quién? El hierro 3 más, para quedarse como hierro 2 más. Para quedarse como hierro 2 más. Otro, esto es un electrodo de gases, es un electrodo de hidrógeno, donde también, como veis, tenéis un elemento o una barra que es, bueno, un hilo de platino, ¿no? Y una superficie de platino. Ya sabéis que el platino es un metal inerte, no reacciona con ningún ácido, ¿vale? Y entonces, lo que tenemos ahí es que abajo, una disolución, un homolar ácida, de clorhídrico, por ejemplo, y se burbujea hidrógeno a una presión en la atmósfera. Eso es lo que se llama el electrodo de hidrógeno, que se utiliza de electrodo de referencia. Una solución, un homolar de ácido, normalmente clorhídrico, ¿no? Y tenemos en esta fase acuosa y después burbujeamos a una presión de una atmósfera gas hidrógeno. ¿De acuerdo? Bueno. Lo que determina a una pila es su voltaje. Decimos voltaje, potencial o también llamamos fuerza electromotriz. En definitiva, la diferencia de potencial de la pila. ¿Una pila cuántos voltios me suministra? 1,5 voltios, 2 voltios, 6 voltios, etc. Entonces, ¿de qué depende el voltaje de una pila? Pues depende de los electrodos, de las especies químicas que nosotros enfrentemos en el cátodo y en el ánodo. Y también depende de las condiciones de concentración, presión y temperatura. Normalmente se trabaja en condiciones estándar, concentraciones acuosas 1 molar, si hay gases, presión 1 atmósfera y la temperatura 25 grados centígrados. La FEM, la fuerza electromotriz de la pila, se le llama fuerza electromotriz estándar o potencial estándar. ¿De acuerdo? ¿Y cómo se calcula esta fuerza electromotriz? Pues esta fuerza electromotriz no es más. ¿Qué? El potencial del cátodo menos el potencial del ánodo. El potencial del cátodo menos el potencial del ánodo. Vamos a ver qué son estos potenciales. ¿Cómo se puede medir el potencial de un electrodo? Mirad, eso no es factible. Nosotros solo podemos medir diferencias de potencial. Entonces, como solo podemos medir diferencias de potencial, tomamos un electrodo de referencia. Y el electrodo que tomamos de referencia es el electrodo... ...de hidrógeno. Entonces, nosotros para asignar potenciales a distintos electrodos, nosotros tomamos de referencia el electrodo de hidrógeno. Y decimos que el electrodo estándar de hidrógeno, es decir, cuando tenemos una solución acuosa 1 molar de clorhídrico y se está burbujeando hidrógeno a una presión de 1 atm, como veis aquí abajo, ¿vale? Esto sería un electrodo estándar de hidrógeno. Y a este... A este electrodo le asignamos arbitrariamente un potencial de 0 voltios. Un potencial de 0 voltios. Entonces, cuando nosotros construyamos pilas con el electrodo de hidrógeno y otros electrodos, el potencial de esas pilas será el potencial de esos electrodos, porque el electrodo de hidrógeno le asignamos potencial 0. ¿Me explico? A ver si lo entendemos. ¿Vale? Esto sería el electrodo de hidrógeno, ¿no? ¿No? Que la forma de representarlo, si tenemos lugar, la semirreacción de reducción. Pero bueno, es que puede ser que yo tenga un electrodo de hidrógeno que experimente la semirreacción de reducción o que experimente la semirreacción de oxidación. Si experimenta la semirreacción de reducción, tenemos aquí en rojo, actuaría como cátodo. Los protones ganarían electrones para dar hidrógeno molecular. Y en azul, el ánodo. ¿No? El hidrógeno perdería electrones para dar los protones, los de H+. Bien. ¿Cómo se puede medir, en definitiva, el potencial de un electrodo? Pues vamos a construir una pila. Construimos una pila, como tenemos antes, pero uno de los electrodos será el electrodo de hidrógeno. ¿Vale? Y entonces, ¿cómo sé cuál es el cátodo positivo o cuál es el cátodo y cuál es el ánodo? Pues tendré que observar... Alguien me puede decir, bueno, pues veré cómo circulan los electrones. Bueno, lo que puedo yo observar es si la barra de zinc, por ejemplo, que yo me enfrento con el hidrógeno, aumenta o pierde masa. Si pierde masa, quiere decir que se está disolviendo a ion-zinc. Si gana masa, es que es al revés. El ion-zinc gana electrones para dar zinc-metal. Y lo mismo con el cobre. El cobre. Digo, oye, yo enfrento al hidrógeno con el cobre. Oye, ¿y aquí por qué me ha puesto de zinc a la izquierda? Como ánodo. Y el cobre me lo pone a la derecha. Como cátodo. ¿Vale? ¿Lo veis? ¿Y por qué ocurre esto? Es que sin poder escribir nada... Un momentito, ¿eh? ¿Vale? Es decir, ¿qué tenemos aquí? Fijaos. Aquí tenemos la semirreacción de oxidación. El zinc pierde electrones para pasar a zinc 2+. ¿Vale? Entonces actúa como ánodo y por eso lo dibujo aquí a la izquierda. ¿Vale? Y el cobre aquí hace lo contrario. Se deposita. ¿Vale? Gana electrones el ión cobre para depositarse en cobre metal. Entonces, ¿cuál es el potencial de una pila? ¿Cuál es el potencial de una pila? El potencial de una pila es... Y si estamos en condiciones... La E de una pila estándar, se pone un cerito, ¿eh? Es la E del polo positivo menos la E del polo negativo. Fijaos en la reacción, en la reacción del zinc 2 más zinc, ¿no? La primera de todas. Esta es 0,76. Tengo ahí metido un voltímetro y me marca 0,76. Quiero que os deis cuenta que el que actúa como positivo es el hidrógeno. Pero ¿cuál es el potencial del hidrógeno? Cero. Entonces, ¿qué vale el potencial del polo negativo? Que es el sistema zinc 2 más zinc. Ojo que tiene un menos, menos 0,76. Un potencial negativo. Es. ¿Y el del cobre? Fijaos, aquí actúa como positivo. Es. La E de la pila sería la E del sistema cobre 2 más cobre menos la E del sistema H más H2. Pero ¿qué vale la E del sistema H más H2? Cero. Ah. Luego, la E de la pila coincide. Aquí no tiene el signo menos. Es decir, siempre que yo enfrente un electrodo cualquiera con el hidrógeno y ese electrodo esté actuando como átodo, tendrá un potencial negativo. Y cuando esté actuando como cátodo, tendrá un potencial positivo. Así que esto a lo mejor es difícil entenderlo. Aquí está puesto, ¿no? Y lo que nos indica estos potenciales es la tendencia que tienen estas especies químicas a ganar electrones. ¿Cuánto más grande y positivo? Sea el potencial de reducción de una especie química, más tendencia tiene a ganar electrones. Más tendencia tiene a reducirse. Mientras que si sale negativo, es que tiene menos tendencia a ganar electrones que el hidrógeno. Y cuanto más negativo, pues peor todavía. ¿Vale? Cuanto... Si nosotros comparamos dos electrodos... A ver... ... Quería enseñaros, no sé si hay aquí una tabla, no la he quitado, vale. Bueno, yo lo que quiero deciros es que cuando nosotros tenemos, ¿cómo podemos predecir que una reacción redox es espontánea? ¿Qué es lo que tenemos que ver? Que lo que vemos, oiga pues mire, es que la E de la pila ha de ser mayor que cero. Es decir, la E de la pila, que es la E del polo positivo menos la E del polo negativo, ha de ser positivo. Esa es la condición para que sea espontánea, ¿vale? Y cuando nosotros nos puedan dar dos electrodos cualquiera y quiera saber cuál es el polo positivo y cuál es el negativo, haré la combinación para que esa diferencia me salga un número positivo. ¿Y todo esto por qué? Nosotros vimos en el tema de termoquímica... ...que para que un proceso sea espontáneo, incremento de G ha de ser menor que cero. Pero se puede demostrar que en la reacción redox, incremento de G es igual a menos nF por el potencial de la pila. Esta epsilon es el potencial de la pila. Yo creo que os deis cuenta, bueno, aquí abajo si estamos en condiciones estándar, que es la mayoría de los casos, 298 Kelvin, pues vais a estar a 25 grados centígrados, n es el número de electrones transferidos. F es un número positivo. F es el número de Faraday, 96.500 Coulombios. Es un número positivo. Para que incremento de G sea negativo, ¿qué tiene que suceder? Que la E de la pila sea positiva. Por eso, la condición para que sea espontánea una reacción redox... aparte de que el incremento de G es menor que 0 porque eso es válido para todas las reacciones químicas es que se cumpla atendiendo a esta relación pues pongo en círculo que la E del proceso redox, pongo redox porque no siempre tiene por qué ser una pila, sea mayor que 0 eso si cumple que sea mayor que 0 pues será una reacción espontánea bueno, podemos hablar un poquito muy brevemente de reacciones redox espontáneas como puede ser la corrosión, la corrosión sobre todo está catalizada en medio ácido y estamos hablando normalmente de metales y esencialmente del hierro entonces la corrosión del hierro de los metales puede tener lugar con el oxígeno, el oxígeno tiene su humedad y además está catalizada en medio acuoso se favorece y en medio ácido todavía más se favorece, entonces ¿cómo se protege de la corrosión los metales? pues una de las técnicas es oxidar la superficie que impide la progresiva oxidación interior eso se llama técnica de pasivado aquí hay muchas veces, aquí afuera hay unas verjas una puerta donde se ha hecho una técnica de pasivado se ha oxidado entonces el óxido ya no penetra y no sigue recubrimientos superficiales, protección catódica lo que se suele hacer es añadir un electrodo de sacrificio en las grandes construcciones en los puentes, etcétera, de hierro se ponen ahí electrodos, barras de magnesio en distintos puntos porque el magnesio compite con el hierro para oxidarse y entonces se oxida mucho más fácilmente el magnesio que el hierro y lo protege eso hay toda una ingeniería relacionada con los electrodos de sacrificio que se llaman, ¿vale? Ahora bien ¿qué son las reacciones no espontáneas? Pues son las reacciones de electrólisis. La electrólisis es lo contrario o el proceso contrario a una pila. Una pila nosotros obtenemos energía eléctrica a partir de energía química. En la electrólisis es lo contrario. A partir de energía eléctrica tiene lugar una reacción química, energía química. Por ejemplo, nosotros tenemos una solución o tenemos cloruro de sodio fundido ¿vale? Cloruro de sodio fundido ¿vale? Y nosotros queremos obtener ¿no? Queremos obtener sodio metal y cloro gas Este proceso es un proceso no espontáneo porque lo que es espontáneo es que coloquemos el cloro en presencia del sodio de manera que ¿no? De manera que el potencial total ¿no? De esta supuesta pila, sodio con cloro tiene un potencial de 4,07 voltios y esto es un proceso espontáneo. Pero a mí lo que me va a interesar en la industria cuando tenga que fabricar pues bueno de tecnología determinados elementos es el proceso inverso. Me interesa tener sodio ¿por qué? Porque se utiliza en la industria como catalizador, etcétera el cloro gas también como reactivo entonces el proceso inverso. Entonces el proceso inverso tiene un potencial igual y de signo contrario. Por lo tanto es un potencial negativo, un incremento de G positivo y la reacción no es espontánea. Entonces para que esa reacción tenga lugar yo al menos he de conectar mi sistema al menos encima de 4,07 voltios para que esa reacción tenga lugar tenga lugar en el sentido que a mí me interesa, ¿vale? Entonces, importante, en la electrolisis, ¿no? En la electrolisis lo que queremos es, por ejemplo, una, tenemos cloruro de sodio fundido, ¿no? La oxidación, que es el proceso de pérdida de electrones, se le llama, se le sigue llamando ánodo, pero ahora se le llama polo positivo. La reducción, la reducción sigue siendo el cátodo y se le llama ahora polo negativo. El potencial de este proceso es menos 4,07 voltios. Y para forzar la electrolisis del cloruro de sodio fundido, al menos tengo que aplicar más de 4 voltios. Aquí tenéis, digamos, un esquema de una celda electrolítica. Una celda electrolítica. Aquí tenéis, por ejemplo, también la electrolisis del agua. La electrolisis del agua no es más que la descomposición del agua en oxígeno molecular y en hidrógeno molecular. ¿Vale? ¿Cuál es el potencial de este sistema Redox? También es un potencial negativo. El potencial de polo positivo de la reducción es menos 0,42. Y del proceso de oxidación del agua a oxígeno molecular es menos 0,82. Por lo tanto, es un potencial negativo y, por lo tanto, necesitamos aplicar un potencial externo. ¿Vale? ¿Cómo podemos determinar la masa depositada en un electrodo? Pues a partir de las leyes de Faraday, ¿no? Que nos dice que la cantidad de sustancia liberada en un electrodo es directamente proporcional a la cantidad de electricidad. Y que para liberar un equivalente gramo de sustancia se necesita un farad. Una fórmula muy útil que nos dice que la masa depositada en un electrodo es igual al peso equivalente por la carga partido 96.500. Coulombios que es el valor de un farad. La carga a su vez, ahora lo vamos a ver con ejemplo, es la intensidad por el tiempo. Y el peso equivalente de un metal, cuidado, es el peso atómico partido el número de electrones transferidos. Me explico, si yo estoy estudiando el proceso H más para pasar a H2. ¿No? ¿Cuál es el peso equivalente del hidrógeno? Pues sería el peso atómico de la molécula de hidrógeno, peso molecular en este caso porque es una molécula que es 2 partido el número de electrones. 2, 1. El peso equivalente es 1. Pero si por ejemplo estamos con, por ejemplo, el cobre 2 más, más 2 electrones para dar cobre metal. El peso equivalente sería el peso atómico. El peso atómico partido el número de electrones, que también es 2. 63,5 partido por 2, ¿vale? No os preocupéis porque las masas atómicas son datos. Bien, este ya estaría, ¿no? Vale. Entonces, aquí tenía un archivo de comparación de una pila galvánica y de una pila electroquímica. Fijaos, este es el esquema de una pila electroquímica o pila galvánica que genera electricidad como consecuencia de una reacción espontánea. En concreto, aquí tenemos un electrodo de plata, una solución de nitrato de plata, que es el cátodo, y en el ánodo un electrodo de zinc en una solución de nitrato de zinc. ¿Vale? Este proceso, ¿por qué es espontáneo? Porque resulta que la E de esta pila es la E del polo positivo, que es 0,80, menos la E del polo negativo, que es menos 0,76. Por lo tanto, es 1,56. Y esta reacción es espontánea. Y yo puedo obtener una pila con 1,56 voltios. A la derecha, fijaos, la simulación de reducción. A la izquierda, de oxidación. Ánodo y cátodo. Polo negativo y polo positivo. Los electrones, esto es importante, los electrones circulan del ánodo al cátodo por el circuito exterior. Por el circuito exterior. Circulan del ánodo al cátodo por el circuito exterior. Por el circuito exterior. Del ánodo al cátodo. ¿Vale? El zinc pierde electrones, la plata gana. El ión nitrato, que es el puente salino, se dirige al ánodo, el anión al ánodo, y el catión, que es el ión potasio, se dirige al cátodo. Manteniéndose la electronitoriedad de las disoluciones y se cierra el circuito. Eso es muy importante. Pues la función es del puente salino. A veces se preguntan estas cositas, ¿eh? ¿Y la celda electrolítica? Pues la celda electrolítica es una pila electroquímica en la que una fuente de corriente externa impulsa una reacción no espontánea. Es decir, yo tengo que aplicar un voltaje. Yo aplico un voltaje y hago que fluyan electrones, como veis, en este sentido, de derecha a izquierda por el circuito exterior. ¿Vale? Así como están conectados los polos. De manera que hago que fluyan electrones, ¿no? Y a la izquierda veis el cátodo, veis el polo negativo, en el lugar la semirreacción de reducción, el ion zinc, gana electrones. Esto es el proceso inverso al anterior, no sé si os dais cuenta. Porque estamos con los mismos electrodos. Pero ahora pongo una pila con la polaridad adecuada para que me aporte electrones en este sentido que veis, contrario a lo anterior. Entonces, aquí tiene lugar a la izquierda la semirreacción de reducción, que es el cátodo, pero aquí es el polo negativo porque hacia ahí van los electrones. Y a la derecha tiene lugar la semirreacción de oxidación, el ánodo, que sería el polo positivo porque emergen los electrones, pierden los electrones. Bueno, pues esto era un poquito el esquema, ¿no? ¿Cuál es? ¿El ánodo? El ánodo positivo, ¿no? Tiene lugar la oxidación, el cátodo negativo, la reducción. ¿Vale? Y le daremos al menos un potencial externo de 1,56 voltios. ¿No? Los iones negativos van al ánodo, ¿no? Y los iones positivos van al cátodo para mantener la electroneutralidad. Esto siempre. ¿Vale? ¿Cuál es la diferencia? La diferencia de polaridad del ánodo y del cátodo. La diferencia entre una pila y una cédula... que yo pueda hacer una electrolisis, es la polaridad del ánodo y del cátodo. ¿De acuerdo? Fijaos como aquí la polaridad ha cambiado. En una célula electroquímica. El cátodo es negativo y el ánodo positivo. Ambos sistemas, en ambos sistemas en el ánodo tiene lugar la oscilación y en el cátodo la reducción. Los electores van del ánodo al cátodo siempre. Y esa única diferencia es la polaridad. ¿De acuerdo? Venga, ejercicios. Aquí tenemos ejercicios de exámenes que han ido cayendo. Esto cayó en la PET el año pasado. Ahora este año como es tipo test, no lo sé, no creo que lo sé. No pueden hacer dibujar un esquema pero sí interpretar cositas. Interpretar cositas, sí. Y fijarse bien para no equivocarse. Venga, dibuja el esquema de una pila para medir el potencial normal de reducción del electrodo de cobre. Pues ya lo hemos visto. Lo hemos visto antes. El electrodo de cobre sabemos que, bueno, esto es como es una PET, no es un examen. No me están diciendo que tenemos que mirar en el libro y yo sé que el electrodo de cobre tiene un potencial de reducción positivo por encima del hidrógeno. Entonces cuando yo lo enfrento con el hidrógeno, que es para obtener el electrodo, el potencial de reducción del cobre, lo que hago es que lo pongo ya como cátodo a la derecha, que es en mi polo positivo. Lo veis que está situado a la derecha. Siempre cuando hago un esquema de una pila, a la derecha el cátodo. Polo positivo, semirreacción de reducción a la izquierda del ánodo. Polo negativo, semirreacción de oxidación. Aquí el electrodo de hidrógeno, que siempre cuesta dibujar un electrodo de hidrógeno, ¿eh? No me ha quedado, no tenéis que dibujarlo, ¿eh? Es decir, bueno, pues el amarillo es el alambre de platino, está metido dentro de un recipiente donde se pulpujea hidrógeno y una disolución homolar de ácida, normalmente clorhídrico-nítrico, ¿vale? Un puente salino de hidrógeno de potasio, los electores van del ánodo al cátodo por el circuito exterior. El anión del puente salino va al ánodo y el cátodo y el catión al cátodo para mantener la electroneutralidad de la disolución y cerrar el circuito. Una pregunta tipo de este puede ser, oye, dígame usted cuál es la función del puente salino en una pila. Tiene dos funciones. Mantener la electroneutralidad del circuito y cerrar. O sea, mantener la electroneutralidad de las disoluciones y cerrar el circuito. De hecho, si os habéis fijado en las preguntas de la PET1, estaban relacionadas a otras preguntas que habían salido pero en forma de desarrollo, parecidas algunas. Venga, pide calcular la constante de equilibrio de esta reacción. Bueno, para ello tenemos que ver los potenciales normales. Hay una ecuación. Que nos relaciona el potencial de una pila en función del potencial normal y de la concentración de las especies químicas que tengamos. Mirad, esto es lo que se llama la ecuación de Nernst. Que nos dice que la E de una pila es igual al potencial normal de una pila menos RTNF neperiano de Q. Q. T es el cociente de reacción. Lo que pasa es que normalmente esto se expresa en logaritmo decimal y T son 298 Kelvin, F es el número de Faraday y N es el número de electores transferidos, donde R es 8,314. Y normalmente ya en los exámenes, en las pruebas, si no me dicen lo contrario, y esto lo tendréis que saber, es la exponencia normal de la pila, menos 0,059. partido por N, logaritmo decimal de Q. ¿Y qué es Q? El cociente de las concentraciones de productos partidos reactivos de las especies químicas estaño que está a la derecha partido plomo que está a la izquierda, ¿no? Estaño y plomo, ¿vale? ¿Qué pasa? Que si nosotros queremos calcular la constante de equilibrio, en el equilibrio la E de la pila es cero. Esto hay que saberlo. En el equilibrio la E de la pila es cero y la relación de concentraciones Q se le llama K. De manera que nosotros podremos calcular la constante de equilibrio de cualquier reacción química a partir de esta ecuación. K igual a 10 elevado a N por la potencia normal de la pila partido 0,59. Lo digo porque cuando lo aprendemos de esta manera o lo aprendemos a despejar de aquí, ¿eh? Esto hay que saberlo hacer porque es habitual pedirlo, ¿eh? ¿Vale? ¿De acuerdo? Es habitual este tipo de preguntas. Calcular la constante de equilibrio. ¿Cómo lo hago? Con estas expresiones. Que quede claro que después lo que me ponen es cuatro soluciones que están para que tú... O tres, ¿no? Para que tú veas una que me he equivocado, he restado al revés y otro que los he sumado. Tampoco es difícil, ¿eh? ¿Vale? Bien, pues la solución la tenéis aquí abajo, ¿no? Es esta, sí. ¿No? Y dice dónde está resuelto, ¿no? Y esto sale... La idea de la pila es 0,01 voltios y la K vale 2,2. Si sustituís la E de la pila al potencial normal por 0,01 y la N, ¿qué vale N? Aquí, ¿cuánto es el número de electrones transferidos? Bien, pues el estaño pasa a estaño 2 más. Y el íon plomo pasa a plomo metal. N vale 2. ¿Vale? Bueno, esto salió del examen del año pasado. Pasado, dice que el potencial normal de reducción del electrodo de zinc vale menos 0,76. Calcule la fuerza de electromotriz de la pila formada por un electrodo de zinc enfrentado a un electrodo de hidrógeno. Según que la concentración de sulfato de zinc sea 1 o 0,1 molar. Bueno, vamos a ver cómo se hace esto. ¿No? Sabemos que el potencial del electrodo de zinc es menos 0,76. ¿Eso qué quiere decir? Que va a actuar como ánodo. Como ánodo. ¿Vale? Y el electrodo de hidrógeno va a actuar como cátodo. Pero me da igual que el electrodo de hidrógeno actúe como cátodo o ánodo. Siempre su potencial es 0. Siempre su potencial es 0 porque se toma la referencia. Entonces, como es menos 0,76, ¿no? Como es menos 0,76, sabemos que va a actuar como ánodo en frente del hidrógeno. Porque el potencial, todos aquellos electrodos que tengan un potencial negativo van a actuar como ánodos en frente del hidrógeno. Y todos aquellos electrodos que tengan un potencial positivo, como puede ser el cobre o la plata, frente al hidrógeno actuarán como cátodos y el hidrógeno como ánodo. Entonces, la E de la pila sería la E del cátodo, que es el sistema H más H2, menos la E del ánodo, sistema zinc 2 más zinc 0, menos menos 0,76 más 0,76. Esta es la reacción espontánea. Esta es la reacción espontánea, porque la E sale positiva, actuando el zinc como ánodo. La reacción global la tenéis aquí, y si yo quiero calcular el potencial de esta pila, si queremos calcular el potencial de esta pila, aplico la ecuación de Nernst. El potencial es igual a potencial normal menos 0,059 partido por 2 logaritmo decimal de la concentración de las especies químicas que tengo en el numerador partido de la concentración de las especies químicas que tengo en el denominador a la izquierda elevado a los coeficientes estequiométricos, en este caso un 2. El potencial normal de la pila, menos 0,059 partido por 2 logaritmo decimal de zinc 2 más A. Perdón, zinc 2 más arriba en el numerador porque es un producto y en el denominador los protones. Bien, ahora bien, el electrodo de hidrógeno, la concentración de protones es 1 molar. Aquí lo que me dicen es, dígame usted qué va a dar el potencial de la pila si la concentración de zinc es 1 molar, en cuyo caso sería 0,76 porque el logaritmo de 1 es 0, o bien es 0,1 molar. Si es 0,1 molar me sale 0,7895 porque el logaritmo decimal de 0,1 es menos 1 y esto hace que aumente, sea 0,7895 el potencial. Bien, esto también salió el año pasado, dice sabiendo que el logaritmo acá, esto es la constante de equilibrio, es nf, que es un potencial normal partido 2,3rt, bueno, y que 2,3rtf es 0,059, fijaos lo que se está diciendo en definitiva. Lo que se está diciendo es que el logaritmo de k, ¿a qué es igual? A n, 0 partido 0,059. ¿No? En definitiva, logaritmo de k. 10 elevado a n e0 partido 0,059 es igual a la k. Bueno, alguien dice que calculemos la constante de equilibrio de cada una de las siguientes reacciones. Pues simplemente es aplicar esta fórmula. ¿Y qué tenemos aquí en la primera? En las dos, ¿qué nos damos? es la reducción? No. ¿Cuál es la reducción? El cloro que pasa a cloruro, ¿no? Porque gana electrones. ¿Y cuál es? Entonces sería el polo positivo. ¿Y la otro? El hierro 2 más que pasa a hierro 3 más. Sería el polo negativo menos un electrón, ¿vale? ¿Para que el número de electrones ganados y perdidos? Bueno, aquí lo que se hace es multiplicar por uno, ¿no? Esto es por un medio, ¿no? ¿Ves? ¿Ves que tiene un medio? Es como aquí un medio para igualar igual. ¿Ves? Aquí solo es un electrón. Bueno, si no nos daríamos cuenta que solo se transfiere un electrón, ¿no? Aquí. Si no nos damos cuenta, mal asunto, ¿eh? Nos saldrá mal. ¿Vale? Entonces, ¿cuál será la constante de equilibrio de esta primera? Pues 10, bueno, hay que calcular el potencial normal, ¿no? Que es la E del polo positivo menos la E del polo negativo. 1,36 menos 0,77, ¿no? ¿No? Entonces, esto lo tenemos aquí en la siguiente, ¿no? Aquí lo veis, ¿no? La K es, la primera sería, es 0, que es 0,59, ¿no? 10 elevado a 0,59 partido de 0,059, ¿vale? ¿Bien? Donde, acordaos que la fórmula que hemos puesto es K, 10 elevado a E sub 0 por N partido de 0,059. ¿Dónde N? Vale 1, porque solo transfiere un electrón. Sin embargo, en la segunda reacción se transfieren dos electrones porque el cloro pasa a cloruro, ¿no? Aquí, como habíamos escrito antes, para pasar de cloro a cloruro, a cloro molecular, con un 2, ¿no? Ganan dos electrones y tendrían que multiplicar por 2. ¿Cuál es la única diferencia de estas dos constantes de equilibrio? Acordaos del tema de equilibrio, que la ecuación B está multiplicada por 2 con respecto a la ecuación A. A. Y, por tanto, la constante de equilibrio de B es el cuadrado. Cuando una ecuación se multiplicaba por 2, la constante de equilibrio se elevaba al cuadrado. Cuando una reacción se dividía por 2, la constante de equilibrio era la raíz cuadrada. Cuando se giraba, ¿no? La constante de equilibrio era la inversa. No da igual, pero también lo podemos demostrar. Aquí está, se transfieren dos electrones, K, ¿ahora qué será? 2. Por el potencial normal partido de 0,059, 10 elevado a esa cantidad. Y me sale una constante del equilibrio de 10 elevado a 20. Y lo que estábamos diciendo en otras ocasiones, cuando la reacción B está multiplicada por 2 con respecto a la de A, la constante de equilibrio es el cuadrado de la de A. Bien, aquí tenemos, nos pide escribir la ecuación de Nernst para esta pila. Mira, estaño, estaño 2+, me da las concentraciones, doble barra, puente salino, de plomo 2+, 0,1 molar, no aplomo. Bien, una vez que me ponen esta ecuación, que esta es la simbología de una pila, ¿no?, una pila electroquímica, ¿no? ¿Qué me está diciendo esta simbología? Pues nos está diciendo que a la izquierda siempre tengo el ánodo, que es el polo negativo, donde tiene lugar la semilacidad. La semirreacción de oxidación. A la derecha, a la derecha, tengo el polo positivo, que es el cátodo, donde tengo lugar la semirreacción de reducción. La semirreacción de reducción. ¿Vale? Oxidación en el ánodo, reducción en el cátodo. Semirreacción de oxidación, semirreacción de reducción. De estaño a estaño 2+, de ión plomo a plomo. ¿Vale? Sí. ¿Y cuál sería la ecuación de Nes? Bueno, ¿cuál es la ecuación, la reacción global? Tendría que sumar, ¿no? Sumamos las dos semirreacciones y esta es la reacción global. Entonces, el cociente, el cociente de reacción que aparece en la ecuación de Nes, acordaos que antes os lo he contado, esta es la ecuación de Nes. Pero que nosotros podemos pasar, transformar directamente el RT-NF leperiano a poner siempre 0,059 partido por N y logaritmo decimal, es muy habitual hacerlo. Se trabaja en condiciones estándar, temperatura 2,98 Kelvin, donde N es el número de electrones transferidos. Aquí está claro que el número de electrones transferidos es 2. ¿Y qué vale el potencial normal de esta pila? Pues el potencial del polo positivo, que es el plomo 2 más plomo, menos el polo negativo. Cuidado, es que solo sale 0,01. 0,01 solo sale. Entonces, ¿cuál sería la ecuación de N? Pues el potencial normal, menos 0,059 partido por 2. Y cociente de concentración, el logaritmo de este cociente de concentraciones. La concentración de estaño 2 más. Y la concentración de plomo 2 más me aparece en el enunciado. ¿No? Aquí lo tenéis. De plomo 2 más es 0,1. Y de estaño 2 más es 1 molar. Entonces, simplemente se trata de sustituir aquí en esta expresión. Y tendremos el potencial en voltios. ¿Vale? Bueno, este cayó en otro examen. A partir de aquí, considerando la siguiente reacción, la cual incremento de G es positiva. Cuidado. Es positiva. ¿Qué quiere decir que es positiva? Que es una reacción no espontánea. Entonces, puede ocurrir esta reacción en una celda electrolítica y en una pila galvánica. En una pila galvánica, no. Esta reacción no es espontánea porque incremento de G es positivo. Por tanto, no puede tener lugar nunca en una pila galvánica. Pero sí, pero sí, va a tener lugar, es posible que tenga lugar en una celda electrolítica mediante una electrólisis. Una electrólisis en la que una fuente de corriente externa impulsa la reacción no espontánea. Impulsa la reacción no espontánea en una fuente de tensión externa. ¿Y cómo hago el esquema? Pues mirad, esto no lo pide el problema, pero ya que estamos aprendiendo, pues podemos poner dos electrodos inertes, y a la izquierda tenemos un sistema yodo-yoduro, donde tiene lugar la semirreacción de reducción, y a la derecha la semirreacción de oxidación del sistema hierro 2, hierro 3+. Con un ánodo que puede ser una lámina de platino. Los electrones van del ánodo al cátodo por el circuito externo. ¿No? El polo positivo al polo negativo, ¿vale? Ya sabéis que el cátodo es el polo negativo en la electrólisis. Bien, esto es toda la pregunta de examen. Dice, en la pila galvánica formada por estos electrodos, explique cuál es el polo positivo y el polo negativo. Escriba la reacción de la pila, y nos da los potenciales normales. ¿Cómo puedo saber si a mí me dan los potenciales normales del sistema AG+, AG? Y del sistema NI2+, NI. Aquí hay un error en el enunciado, ¿de acuerdo? Porque tendría que haberte dado de AG+, AG, no AG, AG+. Porque lo que me están dando son los potenciales de reducción. ¿Qué son los potenciales de reducción? Pues pasar de AG+, AG, que es ganar electrones. Entonces, aquí te han puesto esto para engañarte. ¿Qué es lo que te han puesto? Para engañar un poco, porque dicen los electrodos de AG, AG+, y NI, NI2+. Anda, pues esto no es reducción, es subsidiación. Ya, ya. Pero aquí me dicen que los potenciales normales de reducción de estos electrodos valen menos 0.23 y 0.80 de reducción. Luego yo he escrito bien la reducción de AG+, AG, y NI2+, NI. De hecho, si miráis en las tablas veréis que tiene este valor y este símbolo. Entonces, ¿cuál será la reacción de la pila? Oye, pues está claro, el cátodo siempre es el que tenga el potencial más grande. Y positivo, bueno, el más grande. ¿Cuál es el más grande? 0.80 menos 0.23, 0.80. Pues ese será el cátodo, el que va a actuar como polo positivo. Y es lo que hará que esta reacción química sea espontánea, que el incremento de AG sea negativo. Porque, ¿qué será la E de la pila? La E del sistema AG+, AG, menos la E del... del sistema NI2+, NI. 0.80 menos menos 0.23, 1.03 voltios. Sería el potencial normal, el potencial normal de esta pila. Donde tendríamos el cátodo con la plata, que es un plata, plata metálica, y el ánodo, la oxidación del níquel a níquel 2+. ¿Cuál es la reacción de esta pila? Pues AG+, 2 de AG+, con N. Níquel para 2 de AG, más NI2+. ¿Vale? Que tiene un potencial positivo de 1.03. Bueno, esto también cayó en otro examen. Dicen las siguientes reacciones del electrodo cuyos potenciales normales están dados. Razones si el proceso es espontáneo del electrodo de la reacción directa o la inversa. Cuando el electrodo forma pila con el electrodo de hidrógeno. Vale. Si yo enfrento estos tres electrodos con el electrodo de hidrógeno, nosotros sabemos que tiene un potencial cero. Y sabemos que todos los electrodos que tienen un potencial positivo van a actuar como cátodos. Y todos aquellos que tengan un potencial negativo actuarán como ánodos. Aquí dice, las siguientes electrodos tratan razones si el proceso espontáneo del electrodo es la reacción directa o inversa. Bueno, si yo enfrento este sistema al hidrógeno, el caso A, aquí tenemos tres casos, A, B, C. Vamos con el caso A. ¿El caso A qué es lo que me va a hacer que sea el potencial positivo? Pues que el potencial de la pila sea... Sería igual al potencial del sistema H más H2, que sería el polo positivo, menos el potencial del polo negativo, de hierro 2 más a hierro. Porque de esta manera, esta combinación, me queda cero menos menos 0.41 mayor que cero. Luego, en este caso, la primera tendrá lugar la reacción inversa. Porque aquí hemos dicho que pasa, ¿no? Es menos la oxidación, la inversa. Y B. En B y en C va a ser la reacción directa, lo vais a ver enseguida. Para B, la E de la pila, para que salga positiva, sería la E del sistema hierro 3 más a hierro 2 más, perdón, menos la E del sistema H más H2. Que es el polo negativo. Entonces sería 0,77 menos 0. 0,77 voltios. Entonces aquí directa. Y el último caso de cobre 2 más a cobre también sería directa por el mismo motivo que el caso B. Para que me salga una E de la pila positiva. La única forma que quede positiva es de esta manera. ¿De acuerdo? Bueno, aquí lo veis. ¿No? La primera es inversa y las otras dos directas. Y veis como salen potenciales positivos. En la electricidad de una sal, disolución de una sal en solución acuosa. ¿Qué otras relaciones redondas pueden ocurrir además de la oxidación y reducción de los iones de la sal? Bueno. Sabemos que el proceso de reducción de león sodio a sodio es un potencial negativo de menos 2,71. Y la oxidación de cloruro a cloro. ¿No? Es menos 1,36. En conjunto. El potencial de esta reacción global es de menos 4 voltios. Más una sobretensión. ¿Qué quiere decir esto? Que puede ser que yo me encuentre en disolución acuosa a algunos iones que tengan potenciales más pequeños que estos valores. Y que hagan que se oxiden, por ejemplo. Pues bueno, ahora lo vais a ver. En una disolución acuosa compiten las siguientes reacciones. En medio neutro el agua puede pasar a oxígeno molecular. Y el agua también se puede pasar a oxígeno molecular. Y el agua también se puede reducir a hidrógeno molecular. Y en medio ácido, ya sabéis que los protones pasarían a hidrógeno molecular. Y los iones hidroxilo a oxígeno molecular. Quiero que os deis cuenta que, por ejemplo, es más favorable que se libere energéticamente el hidrógeno frente al sodio en el cátodo. ¿Por qué? Porque para liberarse hidrógeno su potencial es cero. Mientras que vimos que en el caso del sodio era negativo. ¿Vale? Y en el ánodo se libera cloro, ¿no? Se puede liberar cloro. ¿Por qué se libera cloro y no se libera el oxígeno? Porque el oxígeno necesita una sobretensión muy significativa y sigue liberándose cloro a pesar de todo. Y esta sería la reacción global que tendría lugar en la electrolisis de agua. Este cayó también en un APET, dice que calcula el potencial normal de cada una de las siguientes pilas. Fijaos que a la izquierda siempre es el ánodo y a la derecha el cátodo. Y me dan las concentraciones, en este caso todas son no molar. En el primer caso, zinc a zinc dos más. A pasar de cobre dos más a cobre. Ánodo y cátodo. ¿Qué vale el potencial? Pues el potencial de reducción del cobre dos más cobre menos el potencial de reducción de zinc dos más zinc. Y sale un potencial positivo. ¿Y qué pasa cuando enfrentamos el zinc con un leto de hidrógeno? Pues lo mismo que antes, polo positivo menos polo negativo. El potencial del polo positivo, que es cero porque se toma referencia, menos del polo negativo, que es menos cero setenta y seis. Menos por menos da más. Y si enfrentamos el cobre, ¿no? Aquí está. El cobre, fijaos, con el leto de hidrógeno, daos cuenta que aquí esta supuesta pila... ¿No? Me daría un potencial negativo porque sería el potencial del polo positivo, que es del hidrógeno, que es cero, menos el potencial del polo negativo, ¿no?, que es cobre más 0,74. Cero menos 0,34 es menos 0,34 voltios. ¿Vale? Menos 0,34 voltios. Bueno, aquí tenéis una pila formada por ión aluminio e ión plata, ¿no? Indicar las semirreacciones que tienen lugar. ¿Veis? Este tipo de preguntas es muy habitual. Que me den electrodos y que digáis cuál es la reacción global. Claro, ¿cómo se hace? Es un tipo test. Oiga, pues me ponen tres reacciones globales, o cuatro, las que sean, y hay que acertarlas. No ha boleado, ¿eh? Entonces, lo escribe uno. Claro, la ventaja es que no tienes que tampoco justificar, ¿no? Bueno, en la PET, en la PET, pues bueno, más fácil todavía, ¿eh? Pero bueno. No hay que despistarse. Y aquí ya veis, ojo, el número de electrones transferidos no interviene en el potencial normal de la pila. Me da igual que sean uno o que tres, ¿eh? Eso aparecerá después en la ecuación de Nernst si procede. Entonces, la reacción total, pues fijaos, ¿quién tiene potencial positivo? Bueno, es que esto es AG, AG+, menos 0,80. De AG más AG es más 0,80. Y de aluminio a 3+, al de aluminio es menos 1,66. Bueno, pues ya veis el procedimiento. ¿De acuerdo? Bueno, pues yo os aconsejo que sigáis trabajando. Tenéis bastantes hojitas con problemas que han ido saliendo en exámenes y en PETs. Algunos se repiten y os recomiendo que los trabajéis, ¿eh? Dedicarle tiempo. Venga, ánimos.