Pilas galvánicas y electrólisis: potenciales estándar de electrodo
QuímicaElectroquímicaEdades 17–18Laboratorio virtual
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Modo pila galvánica: dos electrodos metálicos están en disoluciones de sus propias sales, unidos por un cable y un puente salino; los electrones fluyen por el cable desde el ánodo (el metal de menor E°, que se oxida y se disuelve) hasta el cátodo (cuyos iones se reducen y se depositan), y el voltímetro marca el potencial estándar de la pila E°pila = E°(+) − E°(−) según la tabla de potenciales estándar de electrodo. Modo electrólisis: una fuente de corriente continua impulsa los electrones hacia el cátodo; los iones migran a los electrodos y se obtiene Cu, H₂, O₂, Cl₂ o Na según la disolución, y la masa de producto sigue m = M·I·t/(n·F). La vista ΔG, K y Nernst añade ΔG° = −nFE°pila y K = e^(nFE°/RT) para cada pila, controles de concentración para las dos semipilas para que E siga la ecuación de Nernst, una gráfica de E frente a log Q y una pila de concentración Cu–Cu. La pestaña Tensión de descomposición barre la tensión de 0 a 4 V, registra la curva corriente–tensión, ajusta una recta para hallar la tensión de descomposición y la compara con el valor teórico a partir de E°; el sobrepotencial cambia con el electrodo (platino, grafito) y el producto.
Lección: Potenciales estándar de electrodo, pilas galvánicas (voltaicas); electrólisis de disoluciones y de sales fundidas; ecuación de Nernst y ΔG° = −nFE°; tensión de descomposición y sobrepotencial
Qué muestra
Se colocan lado a lado dos procesos opuestos. En una pila galvánica, una reacción redox espontánea transforma energía química en energía eléctrica: el metal con menor potencial estándar de electrodo se oxida, y el potencial de la pila es la diferencia entre los dos valores de E°. La vista ΔG, K y Nernst relaciona E°pila con ΔG° = −nFE° y con la constante de equilibrio K, y muestra cómo E baja al aumentar el cociente de reacción Q, hasta cero en el equilibrio. La electrólisis funciona al revés: usa energía eléctrica para provocar una reacción no espontánea. La pestaña Tensión de descomposición muestra que casi no circula corriente hasta superar el valor teórico más el sobrepotencial, que es grande para O₂ y para H₂ sobre grafito, y pequeño para metales depositados y Cl₂.
Cómo usarla
En el modo Pila galvánica, recorre las opciones de Par de electrodos y pide a los estudiantes que predigan la lectura del voltímetro a partir de los valores de E°. Pulsa ΔG, K y Nernst, mueve los dos controles de concentración, pulsa Registrar punto varias veces y comprueba que los puntos están en una recta de pendiente −0,0592/n; después prueba la pila de concentración Cu–Cu. Pulsa Pasar a electrólisis, prueba cada Electrolito y cambia la Intensidad de corriente para comparar la masa de producto. En la pestaña Tensión de descomposición, elige una disolución y un electrodo, pulsa Barrer 0–4 V y luego Ajustar recta, y compara el valor medido con el teórico.
Parámetros que puedes cambiar
- Modo Pila galvánica, Electrólisis, Tensión de descomposición
- Par de electrodos (pila galvánica) Zn–Cu, Mg–Cu, Fe–Cu, Zn–Ag, Cu–Ag, Zn–Fe, Al–Cu, Cu–Cu (pila de concentración)
- Electrolito (electrólisis) Disolución de CuSO₄, electrodos inertes, Disolución de CuSO₄, ánodo de Cu (refinado/galvanoplastia), Disolución de NaCl, con diafragma, NaCl fundido
- Intensidad de corriente 0,5–5 A
- Velocidad de animación 0,5–3 ×
- Vista de la pila Pila estándar (E°), ΔG, K y ecuación de Nernst
- Concentración del ion metálico, semipila izquierda (Nernst) 0,0001–2 mol/L
- Concentración del ion metálico, semipila derecha (Nernst) 0,0001–2 mol/L
- Disolución (tensión de descomposición) HCl 1 mol/L, H₂SO₄, [H⁺] = 1 mol/L, CuSO₄ 1 mol/L, [H⁺] = 1 mol/L, ZnCl₂ 1 mol/L
- Electrodo (tensión de descomposición) Platino, Grafito
- Tensión aplicada 0–4 V
Preguntas para explorar
- ¿Qué par de electrodos da el mayor potencial de pila y cómo puedes predecirlo a partir de los potenciales estándar de electrodo?
- En el electrodo negativo de una pila galvánica, ¿ocurre oxidación o reducción, y qué pasa con su masa?
- ¿Por qué se obtiene sodio al electrolizar NaCl fundido, pero no al electrolizar una disolución de NaCl?
- Para H₂SO₄ sobre platino, ¿cuánto supera la tensión de descomposición medida al valor teórico, y qué cambia con grafito?
