Volver a la portadaIntroducción a la Química · 5° año Economía · Cambiar asignatura
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5° Economía · Introducción a la Química
Transformaciones químicas · Oxidación y reducción

Corrosión, pilas de combustible y aplicaciones

Te conviene dominar: Procesos electroquímicos sencillos (4° año de la Escuela Secundaria (Ciclo Superior))

La reja de una casa o el casco de un barco en el puerto de Mar del Plata se oxidan con los años, aunque nadie les conecte nada. No hace falta un circuito visible para que ocurra una reacción redox espontánea. La corrosión es una pila microscópica que el propio metal arma contra sí mismo en contacto con el aire húmedo. Y la misma química, bien aprovechada, sirve para alimentar un colectivo con hidrógeno.

La corrosión como pila espontánea

Si dejás una gota de agua sobre una lámina de hierro pulido, la herrumbre aparece primero en el centro de la gota, no en el borde donde llega más aire. ¿Por qué se destruye el metal justo donde llega menos oxígeno? Porque el hierro se oxida en una zona (ánodo) y el oxígeno se reduce en otra (cátodo), y los electrones viajan por el mismo metal.

Esquema de una microcelda de corrosión bajo una gota de agua, con la zona anódica de disolución del hierro y la catódica de reducción del oxígeno. Fe → Fe²⁺ + 2e⁻ O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ gota de agua sobre hierro Fe O₂ e⁻ por el propio metal el metal conduce los electrones del ánodo al cátodo
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Se analiza la huella de carbono asociada al uso de hidrógeno como vector energético para alimentar un colectivo (autobús) con pila de combustible que genera…

Se analiza la huella de carbono asociada al uso de hidrógeno como vector energético para alimentar un colectivo (autobús) con pila de combustible que genera $1{,}00\,\mathrm{kWh}$ de energía eléctrica. La pila opera con un rendimiento eléctrico del $60{,}0\%$ respecto al poder calorífico superior del hidrógeno ($\Delta H^\circ = -285{,}8\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$ de $\mathrm{H}_2$, equivalente a $39{,}7\,\mathrm{kWh}\cdot\mathrm{kg}^{-1}$ de $\mathrm{H}_2$):

  1. a) Calculá la masa de $\mathrm{H}_2$ en gramos consumida por la pila para producir $1{,}00\,\mathrm{kWh}$ eléctrico útil.
  2. b) Si el hidrógeno es "gris", obtenido por reformado con vapor de gas natural ($\mathrm{CH}_4 + 2\,\mathrm{H}_2\mathrm{O} \rightarrow \mathrm{CO}_2 + 4\,\mathrm{H}_2$) con una emisión de $10{,}0\,\mathrm{kg}$ de $\mathrm{CO}_2$ por cada kilogramo de $\mathrm{H}_2$ producido en planta, determiná la masa de $\mathrm{CO}_2$ en gramos emitida por cada $\mathrm{kWh}$ eléctrico generado. Compará cualitativamente este valor frente al uso de hidrógeno "verde" obtenido por electrólisis alimentada con energía solar fotovoltaica. Distinguí emisiones directas de operación y emisiones del ciclo de vida; sin un factor de emisiones de fabricación y suministro no puede asignarse al hidrógeno verde una huella total numérica ni afirmarse que sea nula.
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Protección frente a la corrosión

Comparación entre la protección catódica por galvanizado con cinc y el fallo por picadura en un recubrimiento de cobre sobre hierro. galvanizado (Zn, E° menor) Fe protegido Zn el Zn se oxida cobreado (Cu, E° mayor) Fe expuesto Cu el Fe se oxida (falla)
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Se analiza la huella de carbono asociada al uso de hidrógeno como vector energético para alimentar un colectivo (autobús) con pila de combustible que genera…

Se analiza la huella de carbono asociada al uso de hidrógeno como vector energético para alimentar un colectivo (autobús) con pila de combustible que genera $1{,}00\,\mathrm{kWh}$ de energía eléctrica. La pila opera con un rendimiento eléctrico del $60{,}0\%$ respecto al poder calorífico superior del hidrógeno ($\Delta H^\circ = -285{,}8\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$ de $\mathrm{H}_2$, equivalente a $39{,}7\,\mathrm{kWh}\cdot\mathrm{kg}^{-1}$ de $\mathrm{H}_2$):

  1. a) Calculá la masa de $\mathrm{H}_2$ en gramos consumida por la pila para producir $1{,}00\,\mathrm{kWh}$ eléctrico útil.
  2. b) Si el hidrógeno es "gris", obtenido por reformado con vapor de gas natural ($\mathrm{CH}_4 + 2\,\mathrm{H}_2\mathrm{O} \rightarrow \mathrm{CO}_2 + 4\,\mathrm{H}_2$) con una emisión de $10{,}0\,\mathrm{kg}$ de $\mathrm{CO}_2$ por cada kilogramo de $\mathrm{H}_2$ producido en planta, determiná la masa de $\mathrm{CO}_2$ en gramos emitida por cada $\mathrm{kWh}$ eléctrico generado. Compará cualitativamente este valor frente al uso de hidrógeno "verde" obtenido por electrólisis alimentada con energía solar fotovoltaica. Distinguí emisiones directas de operación y emisiones del ciclo de vida; sin un factor de emisiones de fabricación y suministro no puede asignarse al hidrógeno verde una huella total numérica ni afirmarse que sea nula.
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Baterías: descarga y recarga

La batería de un celular entrega energía durante horas y se recarga en una noche enchufada. ¿Cómo hace una corriente externa para obligar a una reacción redox espontánea a desandar su camino?

Comparación del ciclo de una batería entre descarga espontánea y recarga forzada por una fuente exterior. descarga espontánea, ΔG < 0 recarga forzada, ΔG > 0
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Se analiza la huella de carbono asociada al uso de hidrógeno como vector energético para alimentar un colectivo (autobús) con pila de combustible que genera…

Se analiza la huella de carbono asociada al uso de hidrógeno como vector energético para alimentar un colectivo (autobús) con pila de combustible que genera $1{,}00\,\mathrm{kWh}$ de energía eléctrica. La pila opera con un rendimiento eléctrico del $60{,}0\%$ respecto al poder calorífico superior del hidrógeno ($\Delta H^\circ = -285{,}8\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$ de $\mathrm{H}_2$, equivalente a $39{,}7\,\mathrm{kWh}\cdot\mathrm{kg}^{-1}$ de $\mathrm{H}_2$):

  1. a) Calculá la masa de $\mathrm{H}_2$ en gramos consumida por la pila para producir $1{,}00\,\mathrm{kWh}$ eléctrico útil.
  2. b) Si el hidrógeno es "gris", obtenido por reformado con vapor de gas natural ($\mathrm{CH}_4 + 2\,\mathrm{H}_2\mathrm{O} \rightarrow \mathrm{CO}_2 + 4\,\mathrm{H}_2$) con una emisión de $10{,}0\,\mathrm{kg}$ de $\mathrm{CO}_2$ por cada kilogramo de $\mathrm{H}_2$ producido en planta, determiná la masa de $\mathrm{CO}_2$ en gramos emitida por cada $\mathrm{kWh}$ eléctrico generado. Compará cualitativamente este valor frente al uso de hidrógeno "verde" obtenido por electrólisis alimentada con energía solar fotovoltaica. Distinguí emisiones directas de operación y emisiones del ciclo de vida; sin un factor de emisiones de fabricación y suministro no puede asignarse al hidrógeno verde una huella total numérica ni afirmarse que sea nula.
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Pilas de combustible

Pila de combustible de hidrógeno: el H₂ se oxida en el ánodo, los protones cruzan la membrana, los electrones van por el circuito exterior hacia la carga y en el cátodo se forma agua. H₂ → 2H⁺ + 2e⁻ membrana H⁺ → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O e⁻ hacia la carga eléctrica

Los electrones no pasan por la membrana: solo dejan pasar protones. Por eso tienen que ir por el circuito exterior, y ahí es donde hacen trabajo útil (mover el motor de un colectivo, por ejemplo).

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Se analiza la huella de carbono asociada al uso de hidrógeno como vector energético para alimentar un colectivo (autobús) con pila de combustible que genera $1{,}00\,\mathrm{kWh}$ de energía eléctrica. La pila opera con un rendimiento eléctrico del $60{,}0\%$ respecto al poder calorífico superior del hidrógeno ($\Delta H^\circ = -285{,}8\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$ de $\mathrm{H}_2$, equivalente a $39{,}7\,\mathrm{kWh}\cdot\mathrm{kg}^{-1}$ de $\mathrm{H}_2$):

  1. a) Calculá la masa de $\mathrm{H}_2$ en gramos consumida por la pila para producir $1{,}00\,\mathrm{kWh}$ eléctrico útil.
  2. b) Si el hidrógeno es "gris", obtenido por reformado con vapor de gas natural ($\mathrm{CH}_4 + 2\,\mathrm{H}_2\mathrm{O} \rightarrow \mathrm{CO}_2 + 4\,\mathrm{H}_2$) con una emisión de $10{,}0\,\mathrm{kg}$ de $\mathrm{CO}_2$ por cada kilogramo de $\mathrm{H}_2$ producido en planta, determiná la masa de $\mathrm{CO}_2$ en gramos emitida por cada $\mathrm{kWh}$ eléctrico generado. Compará cualitativamente este valor frente al uso de hidrógeno "verde" obtenido por electrólisis alimentada con energía solar fotovoltaica. Distinguí emisiones directas de operación y emisiones del ciclo de vida; sin un factor de emisiones de fabricación y suministro no puede asignarse al hidrógeno verde una huella total numérica ni afirmarse que sea nula.
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Hidrógeno como vector energético

Comparación entre hidrógeno gris, obtenido por reformado de gas natural, e hidrógeno verde, obtenido por electrólisis con energía renovable. H₂ "gris" reformado de gas natural H₂ "verde" electrólisis + energía renovable
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Se analiza la huella de carbono asociada al uso de hidrógeno como vector energético para alimentar un colectivo (autobús) con pila de combustible que genera $1{,}00\,\mathrm{kWh}$ de energía eléctrica. La pila opera con un rendimiento eléctrico del $60{,}0\%$ respecto al poder calorífico superior del hidrógeno ($\Delta H^\circ = -285{,}8\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$ de $\mathrm{H}_2$, equivalente a $39{,}7\,\mathrm{kWh}\cdot\mathrm{kg}^{-1}$ de $\mathrm{H}_2$):

  1. a) Calculá la masa de $\mathrm{H}_2$ en gramos consumida por la pila para producir $1{,}00\,\mathrm{kWh}$ eléctrico útil.
  2. b) Si el hidrógeno es "gris", obtenido por reformado con vapor de gas natural ($\mathrm{CH}_4 + 2\,\mathrm{H}_2\mathrm{O} \rightarrow \mathrm{CO}_2 + 4\,\mathrm{H}_2$) con una emisión de $10{,}0\,\mathrm{kg}$ de $\mathrm{CO}_2$ por cada kilogramo de $\mathrm{H}_2$ producido en planta, determiná la masa de $\mathrm{CO}_2$ en gramos emitida por cada $\mathrm{kWh}$ eléctrico generado. Compará cualitativamente este valor frente al uso de hidrógeno "verde" obtenido por electrólisis alimentada con energía solar fotovoltaica. Distinguí emisiones directas de operación y emisiones del ciclo de vida; sin un factor de emisiones de fabricación y suministro no puede asignarse al hidrógeno verde una huella total numérica ni afirmarse que sea nula.
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Volvé al principio: la reja y el casco se oxidan porque forman una pila espontánea con el oxígeno del aire húmedo, y esa misma lógica electroquímica, aplicada a $\mathrm{H_2}$ y $\mathrm{O_2}$, permite hacer andar un colectivo.

Resumen

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