Exercicis: 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.

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.

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.

Les aixetes cromades o els coberts platejats es fabriquen per electrodeposició: l'objecte d'acer es connecta al pol negatiu d'una font i se submergeix en una dissolució que conté ions del metall (crom o plata), que es diposita sobre seu formant una capa molt fina. Explica dues raons per les quals interessa recobrir l'acer amb aquests metalls.

La pila Daniell té un elèctrode de zinc submergit en dissolució de sulfat de zinc i un elèctrode de coure en dissolució de sulfat de coure, connectats entre si, com es mostra a la figura.

Mentre la pila funciona, l'elèctrode de zinc perd massa i el de coure en guanya.

1. a) Quin metall està passant a la dissolució en forma d'ions?
2. b) Quin metall s'està dipositant i d'on surten els seus àtoms?
3. c) Explica per on «viatgen» els electrons que fan brillar la bombeta connectada a la pila.

Vols encendre un LED amb llimones a la fira de ciències.

1. a) Indica els tres «ingredients» imprescindibles de la teva pila casolana (dos elèctrodes i un electròlit) i quin material faràs servir per a cadascun.
2. b) Prediu què passarà si claves a la llimona dues plaques de coure iguals en lloc d'una de coure i una de zinc, i justifica-ho.
3. c) Una sola llimona dona molt poc voltatge: explica com connectaries diverses llimones per aconseguir més voltatge.

En una cubeta d'electròlisi d'aigua s'han recollit $4\ \text{mol}$ d'hidrogen.

1. a) Utilitzant l'equació $2\ H_2O \rightarrow 2\ H_2 + O_2$, calcula quants mols d'oxigen s'han desprès.
2. b) Quants mols d'aigua s'han descompost en total?

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.

La bateria del mòbil funciona «en les dues direccions».

1. a) Descriu la conversió d'energia que té lloc quan el mòbil està en ús (descàrrega) i la que té lloc quan està endollat al carregador (càrrega).
2. b) Raona per què diem que la recàrrega de la bateria és, en el fons, un procés d'electròlisi.

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.

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.

La bateria d'un cotxe de gasolina porta $6$ cel·les de plom connectades en sèrie, i cada cel·la dona uns $2\ \text{V}$, com es mostra a la figura.

1. a) Quin voltatge total proporciona la bateria?
2. b) Explica per què les cel·les es connecten en sèrie i no en paral·lel.
3. c) El motor d'arrencada necessita un corrent de $120\ \text{A}$ durant $2\ \text{s}$. Calcula la càrrega elèctrica que el travessa ($Q = I \cdot t$).

Un LED necessita almenys $1,8\ \text{V}$ per encendre's i cada pila de llimona proporciona uns $0,9\ \text{V}$.

1. a) Quantes piles de llimona connectades en sèrie necessites com a mínim per encendre el LED? Justifica la resposta.
2. b) Dibuixa al teu quadern el muntatge amb $3$ llimones, indicant quin elèctrode (coure o zinc) de cada llimona es connecta amb quin del següent.
3. c) Si una de les tres llimones es connecta amb la polaritat al revés que les altres, quin voltatge total dona el conjunt? Raona si el LED s'encendrà.

Pots fer-ho en paper i enviar una foto amb la teva resposta.

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.

Una casa aïllada té panells solars que de dia carreguen una bateria, i de nit la bateria alimenta els llums.

1. a) Descriu la cadena completa de transformacions d'energia des que la llum arriba al panell fins que una bombeta fa llum a la nit.
2. b) Situa en aquesta cadena un procés que funciona com una pila i un altre que funciona com una electròlisi, i explica cadascun.
3. c) A cada pas es perd una mica d'energia en forma de calor: raona per què cap tram de la cadena rendeix el $100\ \%$ i quin principi general sobre l'energia es compleix sempre.

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.

Per electrolitzar aigua al laboratori cal afegir-hi unes gotes d'àcid sulfúric o un pessic de sulfat de sodi.

1. a) Explica quin paper juguen els ions dissolts en la conducció del corrent per l'aigua.
2. b) Prediu què observaries si intentessis electrolitzar aigua destil·lada completament pura amb una pila de $9\ \text{V}$, i justifica-ho.
3. c) Proposa sengles proves per identificar el gas de cada tub, sabent que l'oxigen reaviva una estella incandescent i que l'hidrogen crema amb un petit «pop» en apropar-li una flama.

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?

Una pila alcalina costa $0,50\ \text{€}$ i dura un sol ús. Una pila recarregable costa $4\ \text{€}$ i admet $500$ recàrregues; el carregador i l'electricitat de totes aquestes recàrregues costen en total uns $6\ \text{€}$.

1. a) Calcula quant costen $500$ usos amb piles alcalines i quant amb la pila recarregable.
2. b) A més de l'estalvi econòmic, raona quin avantatge ambiental té la recarregable pensant en els residus que es generen.
3. c) Les piles gastades no s'han de llençar al cubell de la brossa normal: explica per què des del punt de vista de la química que contenen.