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Fundamentos de Química Analítica

Duglas Skoog

Chapter 18

Introducción a la electroquímica - all with Video Answers

Educators

Chapter Questions

Problem 1

Describa de manera breve o defina
*a) oxidación.
b) agente reductor.
*c) puente salino.
d) contacto líquido.
*e) ecuación de Nernst.

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Problem 2

Describa de manera breve o defina
*a) potencial de electrodo.
b) potencial formal.
*) potencial de electrodo estándar.
d) potencial de contacto líquido.
e) potencial de oxidación.

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Problem 3

Explique claramente la diferencia entre
* a) oxidación y agente oxidante.
b) una celda electrolítica y una celda galvánica.
*c) el cátodo de una celda electroquímica y el electrodo de la derecha.
d) una celda electroquímica reversible y una celda electroquímica irreversible.
$\left.{ }^* e\right) \mathrm{el}$ potencial de electrodo estándar y el potencial formal.

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Problem 4

Las siguientes entradas se encuentran en una tabla de potenciales de electrodo estándar:

$$
\begin{array}{lr}
\mathrm{I}_2(s)+2 \mathrm{e}^{-} \rightleftharpoons 2 \mathrm{I}^{-} & E^o=0.5355 \mathrm{~V} \\
\mathrm{I}_2(a c)+2 \mathrm{e}^{-} \rightleftharpoons 2 \mathrm{I}^{-} & E^0=0.615 \mathrm{~V}
\end{array}
$$

¿Cuál es el significado de la diferencia entre estos dos potenciales estándar?

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Problem 5

¿Por qué es necesario burbujear hidrógeno a través del electrolito en un electrodo de hidrógeno?

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02:17

Problem 6

El potencial de electrodo estándar para la reacción de $\mathrm{Ni}^{2+}$ a Ni es -0.25 V . ¿Sería más o menos negativo el potencial de un electrodo de níquel sumergido en una disolución NaOH 1.00 M saturada con $\mathrm{Ni}(\mathrm{OH})_2$ que $E_{\mathrm{N}^{2+} / \mathrm{Ni}}^0$ ? Explique.

Ivan Kochetkov
Ivan Kochetkov
Numerade Educator

Problem 7

Escriba ecuaciones iónicas netas balanceadas para las siguientes reacciones. Proporcione $\mathrm{H}^{+}$o $\mathrm{H}_2 \mathrm{O}$ cuando sea necesario para obtener el balance.
*a) $\mathrm{Fe}^{3+}+\mathrm{Sn}^{2+} \rightarrow \mathrm{Fe}^{2+}+\mathrm{Sn}^{4+}$
b) $\mathrm{Cr}(s)+\mathrm{Ag}^{+} \rightarrow \mathrm{Cr}^{3+}+\mathrm{Ag}(s)$
*c) $\mathrm{NO}_3^{-}+\mathrm{Cu}(\mathrm{s}) \rightarrow \mathrm{NO}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{Cu}^{2+}$
d) $\mathrm{MnO}_4^{-}+\mathrm{H}_2 \mathrm{SO}_3 \rightarrow \mathrm{Mn}^{2+}+\mathrm{SO}_4{ }^{2-}$
*e) $\mathrm{Ti}^{3+}+\mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_6{ }^{3-} \rightarrow \mathrm{TiO}^{2+}+\mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_6{ }^{4-}$
f) $\mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2+\mathrm{Ce}^{4+} \rightarrow \mathrm{O}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{Ce}^{3+}$
*g) $\mathrm{Ag}(s)+\mathrm{I}^{-}+\mathrm{Sn}^{4+} \rightarrow \mathrm{AgI}(s)+\mathrm{Sn}^{2+}$
b) $\mathrm{UO}_2^{2+}+\mathrm{Zn}(s) \rightarrow \mathrm{U}^{4+}+\mathrm{Zn}^{2+}$
*i) $\mathrm{HNO}_2+\mathrm{MnO}_4{ }^{-} \rightarrow \mathrm{NO}_3{ }^{-}+\mathrm{Mn}^{2+}$
j) $\mathrm{HN}_2 \mathrm{NNH}_2+\mathrm{IO}_3^{-}+\mathrm{Cl}^{-} \rightarrow \mathrm{N}_2(g)+\mathrm{ICl}_2^{-}$

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Problem 8

Identifique el agente oxidante y el agente reductor en el lado izquierdo de cada ecuación en el problema 18.7; escriba una ecuación balanceada para cada semirreacción.

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Problem 9

Escriba ecuaciones iónicas netas balanceadas para las siguientes reacciones. Proporcione $\mathrm{H}^{+}$o $\mathrm{H}_2 \mathrm{O}$ cuando sea necesario para obtener el balance.
*a) $\mathrm{MnO}_4^{-}+\mathrm{VO}^{2+} \rightarrow \mathrm{Mn}^{2+}+\mathrm{V}(\mathrm{OH})_4^{+}$
b) $\mathrm{I}_2+\mathrm{H}_2 \mathrm{~S}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{I}^{-}+\mathrm{S}(\mathrm{s})$
cc) $\mathrm{Cr}_2 \mathrm{O}_7^{2-}+\mathrm{U}^{4+} \rightarrow \mathrm{Cr}^{3+}+\mathrm{UO}_2^{2+}$
d) $\mathrm{Cl}^{-}+\mathrm{MnO}_2(\mathrm{~s}) \rightarrow \mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{g})+\mathrm{Mn}^{2+}$
*e) $\mathrm{IO}_3{ }^{-}+\mathrm{I}^{-} \rightarrow \mathrm{I}_2(a c)$
f) $\mathrm{IO}_3^{-}+\mathrm{I}^{-}+\mathrm{Cl}^{-} \rightarrow \mathrm{ICl}_2^{-}$
*g) $\mathrm{HPO}_3{ }^{2-}+\mathrm{MnO}_4{ }^{-}+\mathrm{OH}^{-} \rightarrow \mathrm{PO}_4{ }^{3-}+\mathrm{MnO}_4{ }^{2-}$
b) $\mathrm{SCN}^{-}+\mathrm{BrO}_3^{-} \rightarrow \mathrm{Br}^{-}+\mathrm{SO}_4^{2-}+\mathrm{HCN}$
*i) $\mathrm{V}^{2+}+\mathrm{V}(\mathrm{OH})_4^{+} \rightarrow \mathrm{VO}^{2+}$
j) $\mathrm{MnO}_4^{-}+\mathrm{Mn}^{2+}+\mathrm{OH}^{-} \rightarrow \mathrm{MnO}_2(s)$

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Problem 10

Identifique al agente oxidante y reductor del lado izquierdo de cada ecuación en el problema 18.9; escriba una ecuación balanceada para cada semirreacción.

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Problem 11

Considere las siguientes reacciones de oxidación/ reducción:

$$
\begin{aligned}
& \mathrm{AgBr}(s)+\mathrm{V}^{2+} \rightarrow \mathrm{Ag}(s)+\mathrm{V}^{3+}+\mathrm{Br}^{-} \\
& \mathrm{Tl}^{3+}+2 \mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_6{ }^{4-} \rightarrow \mathrm{Tl}^{+}+2 \mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_6{ }^{3-} \\
& 2 \mathrm{~V}^{5+}+\mathrm{Zn}(s) \rightarrow 2 \mathrm{~V}^{2+}+\mathrm{Zn}^{2+} \\
& \mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_6{ }^{3-}+\mathrm{Ag}^2(s)+\mathrm{Br}^{-} \rightarrow \mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_6{ }^{4-}+\mathrm{AgBr}(s) \\
& \mathrm{S}_2 \mathrm{O}_8{ }^{2-}+\mathrm{Tl}^{+} \rightarrow 2 \mathrm{SO}_4{ }^{2-}+\mathrm{Tl}^{3+}
\end{aligned}
$$

a) Escriba cada proceso neto en términos de dos semirreacciones balanceadas.
b) Exprese cada semirreacción como una reducción.
c) Ordene las semirreacciones en b) en orden de eficiencia decreciente como aceptores de electrones.

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Problem 12

Considere las siguientes reacciones de oxidación/ reducción:

$$
\begin{aligned}
2 \mathrm{H}^{+}+\mathrm{Sn}(s) & \rightarrow \mathrm{H}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{Sn}^{2+} \\
\mathrm{Ag}^{+}+\mathrm{Fe}^{2+} & \rightarrow \mathrm{Ag}^{2+}(\mathrm{s})+\mathrm{Fe}^{3+} \\
\mathrm{Sn}^{4+}+\mathrm{H}_2(\mathrm{~g}) & \rightarrow \mathrm{Sn}^{2+}+2 \mathrm{H}^{+} \\
\mathrm{Fe}^{3+}+\mathrm{Sn}^{2+} & \rightarrow 2 \mathrm{Fe}^{2+}+\mathrm{Sn}^{4+} \\
\mathrm{Sn}^{2+}+\mathrm{Co}(\mathrm{~s}) & \rightarrow \mathrm{Sn}(\mathrm{~s})+\mathrm{Co}^{2+}
\end{aligned}
$$

a) Escriba cada proceso neto en términos de dos semirreacciones balanceadas.
b) Exprese cada semirreacción como una reducción.
c) Ordene las semirreacciones en $b$ ) en orden de eficiencia decreciente como aceptores de electrones.

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Problem 13

Calcule el potencial de un electrodo de cobre sumergido en
a) $\mathrm{Cu}\left(\mathrm{NO}_3\right)_2 0.0380 \mathrm{M}$.
b) NaCl 0.0650 M saturada con CuCl .
c) NaOH 0.0350 M saturada con $\mathrm{Cu}(\mathrm{OH})_2$.
d) $\mathrm{Cu}\left(\mathrm{NH}_3\right)_4{ }^{2+} 0.0375 \mathrm{M} \mathrm{y} \mathrm{NH}_3 0.108 \mathrm{M}\left(\beta_4\right.$ para $\mathrm{Cu}\left(\mathrm{NH}_3\right)_4{ }^{2+}$ es $\left.5.62 \times 10^{11}\right)$.
e) una disolución en la cual la concentración molar analítica de $\mathrm{Cu}\left(\mathrm{NO}_3\right)_2$ sea $3.90 \times 10^{-3}$, para $\mathrm{H}_2 \mathrm{Y}^{2-}$ sea $3.90 \times 10^{-2}(\mathrm{Y}=$ edta $)$ y el pH se encuentre a 4.00 .

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Problem 14

Calcule el potencial de un electrodo de zinc sumergido en
a) $\mathrm{Zn}\left(\mathrm{NO}_3\right)_2 0.0500 \mathrm{M}$.
b) NaOH 0.0200 M y saturada con $\mathrm{Zn}(\mathrm{OH})_2$.
c) $\mathrm{Zn}\left(\mathrm{NH}_3\right)_4{ }^{2+} 0.0150 \mathrm{MyNH} \mathrm{NH}-\beta_4 0.350 \mathrm{M}$ para $\mathrm{Zn}\left(\mathrm{NH}_3\right)_4{ }^{2+}$ es $7.76 \times 10^8$.
d) una disolución en la cual la concentración molar analítica de $\mathrm{Zn}\left(\mathrm{NO}_3\right)_2$ es $4.00 \times 10^{-3}$, aquella para $\mathrm{H}_2 \mathrm{Y}^{2-}$ es 0.0550 M y el pH es 9.00 .

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Problem 15

Utilice las actividades para calcular el potencial de electrodo de un electrodo de hidrógeno en el cual el electrolito es HCl 0.0100 M y la actividad de $\mathrm{H}_2$ es 1.00 atm .

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Problem 16

Calcule el potencial de un electrodo de platino sumergido en una disolución
a) $\mathrm{K}_2 \mathrm{PtCl}_4 0.0160 \mathrm{M}$ y KCl 0.2450 M .
b) $\mathrm{Sn}\left(\mathrm{SO}_4\right)_2 0.0650 \mathrm{M}$ y $\mathrm{SnSO}_4 3.5 \times 10^{-3} \mathrm{M}$.
c) amortiguada a pH de 6.50 y saturada con $\mathrm{H}_2(\mathrm{~g})$ a 1.00 atm .
d) $\mathrm{VOSO}_4 0.0255 \mathrm{M}, \mathrm{V}_2\left(\mathrm{SO}_4\right)_3 0.0686 \mathrm{M} \mathrm{y} \mathrm{HClO}_4$ 0.100 M .
e) preparada al mezclar 25.00 mL de $\mathrm{SnCl}_2 0.0918 \mathrm{M}$ con un volumen igual de $\mathrm{FeCl}_3 0.1568 \mathrm{M}$.
f) preparada al mezclar 25.00 mL de $\mathrm{V}(\mathrm{OH})_4{ }^{+}$ 0.0832 M con 50.00 mL de $\mathrm{V}_2\left(\mathrm{SO}_4\right)_3 0.01087 \mathrm{M}$ y tiene un pH de 1.00 .

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Problem 17

Calcule el potencial de un electrodo de platino sumergido en una disolución
a) $\mathrm{K}_4 \mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_6 0.0613 \mathrm{M} \mathrm{y} \mathrm{K}_3 \mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_6 0.00669 \mathrm{M}$.
b) $\mathrm{FeSO}_4 0.0400 \mathrm{M}_{\text {y Fe }}^2\left(\mathrm{SO}_4\right)_3 0.00915 \mathrm{M}$.
c) amortiguada a pH de 5.55 y saturada con $\mathrm{H}_2$ a 1.00 atm .
d) $\mathrm{V}(\mathrm{OH})_4{ }^{+} 0.1015 \mathrm{M}, \mathrm{VO}^{2+} 0.0799 \mathrm{M}$ y $\mathrm{HClO}_4$ 0.0800 M .
c) preparada al mezclar 50.00 mL de $\mathrm{Ce}\left(\mathrm{SO}_4\right)_2$ 0.0607 M con un volumen igual de $\mathrm{FeCl}_2 0.100 \mathrm{M}$ (considere que las disoluciones eran $\mathrm{H}_2 \mathrm{SO}_4 1.00 \mathrm{M}$ y utilice potenciales formales).
f) preparada al mezclar 25.00 mL de $\mathrm{V}_2\left(\mathrm{SO}_4\right)_3$ 0.0832 M con 50.00 mL de $\mathrm{V}(\mathrm{OH})_4{ }^{+} 0.00628 \mathrm{M}$ y tiene un pH de 1.00 .

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Problem 18

Si las siguientes semiceldas son el electrodo de la derecha en una celda galvánica con un electrodo estándar de hidrógeno en el electrodo izquierdo, calcule el potencial de celda. Indique si los electrodos funcionarian como ánodo o cátodo en caso de que la celda experimentara un corto circuito.
a) $\mathrm{Ni} \mid \mathrm{Ni}^{2+}(0.0883 \mathrm{M})$
b) $\mathrm{Ag} \mid \mathrm{AgI}$ (saturada), $\mathrm{KI}(0.0898 \mathrm{M})$
c) $\mathrm{Pt} \mid \mathrm{O}_2(780$ torr $), \mathrm{HCl}\left(2.50 \times 10^{-4} \mathrm{M}\right)$
d) $\mathrm{Pt} \mid \mathrm{Sn}^{2+}(0.0893 \mathrm{M}), \mathrm{Sn}^{4+}(0.215 \mathrm{M})$
e) $\mathrm{Ag} \mid \mathrm{Ag}\left(\mathrm{S}_2 \mathrm{O}_3\right)_2{ }^{3-}(0.00891 \mathrm{M}), \mathrm{Na}_2 \mathrm{~S}_2 \mathrm{O}_3(0.1035 \mathrm{M})$

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Problem 19

Las siguientes semiceldas están en el lado izquierdo y en par con el electrodo estándar de hidrógeno en el derecho para formar una celda galvánica. Calcule el potencial de celda. Indique cuál de los electrodos sería el cátodo si cada celda experimentara corto circuito.
a) $\mathrm{Cu} \mid \mathrm{Cu}^{2+}(0.0805 \mathrm{M})$
b) $\mathrm{Cu} \mid \mathrm{CuI}$ (saturada), $\mathrm{KI}(0.0993 \mathrm{M})$
c) $\mathrm{Pt}, \mathrm{H}_2(0.914 \mathrm{~atm}) \mid \mathrm{HCl}\left(1.00 \times 10^{-4} \mathrm{M}\right)$
d) $\mathrm{Pt} \mid \mathrm{Fe}^{3+}(0.0886 \mathrm{M}), \mathrm{Fe}^{2+}(0.1420 \mathrm{M})$
e) $\mathrm{Ag} \mid \mathrm{Ag}(\mathrm{CN})_2{ }^{-}(0.0778 \mathrm{M}), \mathrm{KCN}(0.0651 \mathrm{M})$

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Problem 20

La constante del producto de solubilidad para $\mathrm{Ag}_2 \mathrm{SO}_3$ es $1.5 \times 10^{-14}$. Calcule $E^0$ para el proceso

$$
\mathrm{Ag}_2 \mathrm{SO}_3(\mathrm{~s})+2 \mathrm{e}^{-} \rightleftharpoons 2 \mathrm{Ag}+\mathrm{SO}_3{ }^{2-}
$$

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Problem 21

La constante del producto de solubilidad para $\mathrm{Ni}_2 \mathrm{P}_2 \mathrm{O}_7$ es $1.7 \times 10^{-15}$. Calcule $E^0$ para el proceso

$$
\mathrm{Ni}_2 \mathrm{P}_2 \mathrm{O}_7(s)+4 \mathrm{e}^{-} \rightleftharpoons 2 \mathrm{Ni}(s)+\mathrm{P}_2 \mathrm{O}_7^{4-}
$$

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Problem 22

La constante del producto de solubilidad para $\mathrm{Tl}_2 \mathrm{~S}$ es $6 \times 10^{-22}$. Calcule $E^0$ para la reacción

$$
\mathrm{Tl}_2 \mathrm{~S}(s)+2 \mathrm{e}^{-} \rightleftharpoons 2 \mathrm{Tl}(s)+\mathrm{S}^{2-}
$$

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Problem 23

La constante del producto de solubilidad para $\mathrm{Pb}_3\left(\mathrm{AsO}_4\right)_2$ es $4.1 \times 10^{-36}$. Calcule $E^0$ para la reacción

$$
\mathrm{Pb}_2\left(\mathrm{AsO}_4\right)_2(s)+6 \mathrm{e}^{-} \rightleftharpoons 3 \mathrm{~Pb}(s)+2 \mathrm{AsO}_4^{2-}
$$

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Problem 24

Calcule $E^0$ para el proceso

$$
\mathrm{ZnY} \mathrm{Y}^{2-}+2 \mathrm{e}^{-} \rightleftharpoons \mathrm{Zn}(s)+\mathrm{Y}^{\mathbf{d}-}
$$

donde $\mathrm{Y}^{4-}$ es el anión de edta completamente desprotonado. La constante de formación para $\mathrm{ZnY}^{2-}$ es $3.2 \times 10^{16}$.

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Problem 25

Dadas las constantes de formación

$$
\begin{array}{ll}
\mathrm{Fe}^{3+}+\mathrm{Y}^{4-} \rightleftharpoons \mathrm{FeY}^{-} & K_{\mathrm{f}}=1.3 \times 10^{25} \\
\mathrm{Fe}^{2+}+\mathrm{Y}^{4-} \rightleftharpoons \mathrm{FeY}^{2-} & K_i=2.1 \times 10^{14}
\end{array}
$$

calcule $E^0$ para el proceso

$$
\mathrm{FeY}^{-}+\mathrm{e}^{-} \rightleftharpoons \mathrm{FeY}^{2-}
$$

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01:53

Problem 26

Calcule $E^0$ para el proceso

$$
\mathrm{Cu}\left(\mathrm{NH}_3\right)_4{ }^{2+}+\mathrm{e}^{-} \rightleftharpoons \mathrm{Cu}\left(\mathrm{NH}_3\right)_2^{+}+2 \mathrm{NH}_3
$$

dado que

$$
\begin{aligned}
\mathrm{Cu}^{+}+2 \mathrm{NH}_3 \rightleftharpoons \mathrm{Cu}\left(\mathrm{NH}_3\right)_2^{+} \beta_2 & =7.2 \times 10^{10} \\
\mathrm{Cu}^{2+}+4 \mathrm{NH}_3 \rightleftharpoons \mathrm{Cu}\left(\mathrm{NH}_3\right)_4^{2+} \beta_4 & =5.62 \times 10^{11}
\end{aligned}
$$

Ivan Kochetkov
Ivan Kochetkov
Numerade Educator

Problem 27

Para una semicelda $\mathrm{Pt} \mid \mathrm{Fe}^{3+}, \mathrm{Fe}^{2+}$, encuentre el potencial para las siguientes proporciones de $\left[\mathrm{Fe}^{3+}\right] /\left[\mathrm{Fe}^{2+}\right]$ : $0.001,0.0025,0.005,0.0075,0.010,0.025,0.050$, $0.075,0.100,0.250,0.500,0.750,1.00,1.250,1.50$, $1.75,2.50,5.00,10.00,25.00,75.00$ y 100.00 .

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Problem 28

Para una semicelda $\mathrm{Pt} \mid \mathrm{Ce}^{4+}, \mathrm{Ce}^{3+}$, encuentre el potencial para las mismas proporciones de $\left[\mathrm{Ce}^{4+}\right] /\left[\mathrm{Ce}^{3+}\right]$ dadas en el problema 18.27 para $\left[\mathrm{Fe}^{3+}\right] /\left[\mathrm{Fe}^{2+}\right]$.

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Problem 29

Grafique el potencial de semicelda en función de la proporción de la concentración para las semiceldas de los problemas 18.27 y 18.28. ¿Cómo se observaría la gráfica si se graficara el potencial en función del log (de la proporción de la concentración)?

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06:41

Problem 30

Desafio: En algún momento, el electrodo estándar de hidrógeno fue utilizado para medir pH .
a) Realice el esquema de una celda electroquímica que podría ser utilizada para medir pH y etiquete las partes del diagrama. Utilice el eEH para ambas semiceldas.
b) Derive una ecuación que proporcione el potencial de la celda en términos de la concentración del ion hidronio $\left[\mathrm{H}_3 \mathrm{O}^{+}\right]$en ambas semiceldas.
c) Una semicelda debe contener una disolución con concentración conocida de iones hidronio y la otra debe contener una disolución desconocida. Resuelva la ecuación en b) para el pH de la disolución en la semicelda desconocida.
d) Modifique su ecuación resultante para considerar los coeficientes de actividad y exprese los resultados en términos de p $a_{\mathrm{H}}=-\log a_{\mathrm{H}}$, el logaritmo negativo de la actividad del ion hidronio.
e) Describa las circunstancias bajo las cuales esperaría que la celda proporcionara medidas exactas de $\mathrm{p} a_{\mathrm{H}}$.
f) ¿Podria utilizar su celda para hacer mediciones prácticas absolutas de $p a_{\mathrm{H}}$ o tendria que calibrar su celda con disoluciones de $\mathrm{p} a_{\mathrm{H}}$ conocidas? Explique su respuesta en detalle.
g) ¿Cómo (o dónde) podría encontrar disoluciones de $\mathrm{p} a_{\mathrm{H}}$ conocido?
b) Comente los problemas prácticos que podría encontrar al utilizar su celda para realizar mediciones de pH .
i) Klopsteg' explica cómo realizar mediciones con el electrodo de hidrógeno. En la figura 2 de su artículo, sugiere utilizar una regla de cálculo (o deslizamiento), un segmento de la cual se muestra aquí para convertir las concentraciones de iones hidronios en pH, y viceversa.

Bhumika Jayee
Bhumika Jayee
Numerade Educator