Processos electroquímics senzills

Una pila és un aparell que transforma energia química en energia elèctrica gràcies a una reacció química que té lloc al seu interior. Explica amb les teves paraules què significa aquesta frase i anomena dos aparells de casa teva que funcionin amb piles.

A la fira de ciències, un grup clava en una llimona una placa de zinc i una de coure, les connecta a un LED i aquest s'encén: han construït una «pila de llimona», com es mostra a la figura.

1. a) Què fa d'electròlit (el medi que condueix el corrent dins de la pila) en aquest muntatge?
2. b) Per què creus que fan falta dos metalls diferents i no valdrien dues plaques iguals?

L'electròlisi és el procés invers al de la pila: un corrent elèctric obliga a ocórrer una reacció química que per si sola no es produiria. Completa l'esquema amb les paraules que falten: «A la pila, una reacció química $\dots$ corrent elèctric; a l'electròlisi, el corrent elèctric $\dots$ una reacció química».

En passar corrent continu per aigua (amb unes gotes d'àcid perquè condueixi el corrent) apareixen bombolles de dos gasos diferents als elèctrodes, com es mostra a la figura.

1. a) Escriu l'equació igualada de la descomposició de l'aigua.
2. b) Anomena els dos gasos que es desprenen.

Per platejar una cullera es connecta la cullera al pol negatiu d'una font i una làmina de plata al pol positiu, totes dues submergides en una dissolució de nitrat de plata ($AgNO_3$), com es mostra a la figura.

1. a) Sobre quin dels dos elèctrodes es diposita la plata?
2. b) La dissolució aniria perdent ions de plata si no fos perquè la làmina es va dissolent: explica quin paper té la làmina connectada al pol positiu.
3. c) Raona què li passaria a la cullera si la connectéssim per error al pol positiu.

A la pila Daniell tenen lloc aquestes dues semireaccions: a l'elèctrode de zinc, $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2\ e^-$; a l'elèctrode de coure, $Cu^{2+} + 2\ e^- \rightarrow Cu$.

1. a) Suma les dues semireaccions i escriu la reacció global de la pila.
2. b) Quin elèctrode actua com a pol negatiu, és a dir, el que cedeix electrons al circuit?
3. c) Explica, a partir de les semireaccions, per què l'elèctrode de zinc perd massa i el de coure en guanya mentre la pila funciona.

Classifica aquestes piles i bateries en «d'un sol ús» o «recarregables»: la pila alcalina d'un comandament a distància, la bateria d'ió liti d'un mòbil, la bateria de plom d'un cotxe i la pila de botó d'un rellotge. Explica amb les teves paraules què significa que una bateria sigui recarregable.

Quan endolles el mòbil al carregador, la reacció química de la seva bateria es produeix «cap enrere». Explica, utilitzant la idea de procés invers, què fa el carregador amb el corrent elèctric i en què s'assembla la recàrrega d'una bateria a una electròlisi.

Compara la pila i l'electròlisi responent a aquestes tres preguntes per a cada procés:

1. a) Quin procés produeix corrent elèctric i quin en consumeix?
2. b) En quin la reacció química és espontània i en quin està forçada pel corrent?
3. c) Quina conversió d'energia té lloc en cadascun?

Posa a més un exemple real de cada procés.

A l'electròlisi de l'aigua, $2\ H_2O \rightarrow 2\ H_2 + O_2$, el volum d'hidrogen que es recull sempre és el doble que el d'oxigen, com es mostra a la figura.

Explica, a partir dels coeficients de l'equació igualada, per què passa això.

Al laboratori s'electrolitza aigua recollint els gasos en dos tubs graduats invertits sobre els elèctrodes, com es mostra a la figura.

Quan el tub de l'hidrogen conté $20\ \text{mL}$, quin volum d'oxigen esperes trobar a l'altre tub, mesurat en les mateixes condicions? Explica la proporció utilitzant els coeficients de l'equació igualada.

En una cubeta electrolítica es descompon aigua i, entre els dos elèctrodes, es recullen en total $72\ \text{mL}$ de gas, mesurats en les mateixes condicions.

1. a) Quin volum d'hidrogen i quin volum d'oxigen s'han recollit?
2. b) En aquestes condicions, $1\ \text{mol}$ de qualsevol gas ocupa $24\ \text{L}$: calcula els mols de cada gas.
3. c) Amb la massa molar de l'aigua, $18\ \text{g/mol}$, calcula quina massa d'aigua s'ha descompost.

L'alumini s'obté per electròlisi del seu òxid fos (l'alúmina), un procés que consumeix enormes quantitats d'electricitat.

1. a) Explica, amb la idea de «reacció forçada pel corrent», per què fabricar alumini és tan car energèticament.
2. b) Reciclar una llauna consumeix només el $5\ \%$ de l'energia que costa fabricar alumini nou. Per cada $100\ \text{kWh}$ que costaria fabricar alumini primari, calcula quanta energia s'estalvia si aquest alumini s'obté reciclant.
3. c) Argumenta, utilitzant aquesta dada, per què reciclar llaunes és una mesura important tant des de la química com des del medi ambient.

El casc d'acer dels vaixells porta soldats uns blocs de zinc anomenats «ànodes de sacrifici»: és el zinc el que es corroeix en lloc del ferro, com es mostra a la figura.

1. a) Tenint en compte el que passa a la pila Daniell, on el zinc es desgasta cedint electrons amb més facilitat que el coure, explica per què un bloc de zinc protegeix el ferro del casc.
2. b) Raona què passaria si els blocs fossin de coure en lloc de zinc.
3. c) Per què cal revisar aquests blocs i substituir-los cada cert temps?