Ejercicios: Corrosión, pilas de combustible y aplicaciones

La corrosión atmosférica del hierro en presencia de aire húmedo tiene lugar mediante la formación de microceldas o pares galvánicos locales sobre la superficie del metal. Considerando que el medio acuoso sobre el metal tiene un pH neutro:

1. a) Escribe las semirreacciones correspondientes a la zona anódica y a la zona catódica, identificando la especie química que actúa como oxidante y la que actúa como reductora.
2. b) Deduce la ecuación química neta del proceso inicial de corrosión y calcula la fuerza electromotriz ideal en las condiciones indicadas de la celda galvánica formada. Datos a $298\,\mathrm{K}$: $E^\circ(\mathrm{Fe}^{2+}/\mathrm{Fe}) = -0.44\,\mathrm{V}$; $E(\mathrm{O}_2/\mathrm{OH}^-,\,\mathrm{pH}=7) = +0.81\,\mathrm{V}$. Usa el potencial del hierro con actividad unitaria de sus iones y el potencial condicional del oxígeno dado a pH 7; este último no es un potencial estándar de la semirreacción escrita con hidróxido. Desprecia polarización y precipitación al estimar la tensión inicial.

Para proteger láminas de hierro frente a la corrosión ambiental se emplean recubrimientos metálicos como el galvanizado con cinc o los recubrimientos de cobre. Considera una lámina de hierro galvanizada y otra recubierta con cobre sometidas a un rayón accidental que expone el hierro base al aire húmedo:

1. a) Justifica cuál de los dos metales en contacto se oxidará preferentemente en la zona rayada de cada pieza a partir de los potenciales estándar: $E^\circ(\mathrm{Zn}^{2+}/\mathrm{Zn}) = -0.76\,\mathrm{V}$; $E^\circ(\mathrm{Fe}^{2+}/\mathrm{Fe}) = -0.44\,\mathrm{V}$; $E^\circ(\mathrm{Cu}^{2+}/\mathrm{Cu}) = +0.34\,\mathrm{V}$.
2. b) Indica el mecanismo de protección que actúa en cada caso (protección por barrera o protección catódica de sacrificio).

Para proteger de la corrosión una tubería de acero enterrada en un suelo húmedo que actúa como electrolito, se proyecta conectar mediante un cable conductor un bloque metálico enterrado a su lado. En el siguiente esquema se ilustran las dos opciones consideradas: conectar un bloque de magnesio o un bloque de cobre.

Datos de potenciales estándar de reducción a $298\,\mathrm{K}$: $E^\circ(\mathrm{Mg}^{2+}/\mathrm{Mg}) = -2.37\,\mathrm{V}$; $E^\circ(\mathrm{Fe}^{2+}/\mathrm{Fe}) = -0.44\,\mathrm{V}$; $E^\circ(\mathrm{Cu}^{2+}/\mathrm{Cu}) = +0.34\,\mathrm{V}$. Constante de Faraday: $F = 96\,485\,\mathrm{C}\times\mathrm{mol}^{-1}$. Masa molar: $M(\mathrm{Mg}) = 24.31\,\mathrm{g}\times\mathrm{mol}^{-1}$.

1. a) Selecciona razonadamente cuál de los dos bloques metálicos funcionará eficazmente como ánodo de sacrificio para proteger la tubería de hierro y escribe la semirreacción de oxidación que tiene lugar en él.
2. b) Si la corriente media de protección galvánica suministrada de forma continua por dicho ánodo es de $0.050\,\mathrm{A}$, calcula la masa en gramos del metal protector que se consume al cabo de $1.0\,\mathrm{año}$ de servicio ($365\,\mathrm{días}$). Supón que toda la corriente procede de la oxidación del metal protector, sin autocorrosión adicional.

Se analiza la huella de carbono asociada al uso de hidrógeno como vector energético para alimentar un bus 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 ($\Delta H^\circ = -285.8\,\mathrm{kJ}\times\mathrm{mol}^{-1}$ de $\mathrm{H}_2$, equivalente a $39.7\,\mathrm{kWh}\times\mathrm{kg}^{-1}$ de $\mathrm{H}_2$):

1. a) Calcula 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, determina la masa de $\mathrm{CO}_2$ en gramos emitida por cada $\mathrm{kWh}$ eléctrico generado. Compara cualitativamente este valor frente al uso de hidrógeno "verde" obtenido por electrólisis alimentada con energía solar fotovoltaica. Distingue 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.