Procesos electroquímicos sencillos

Una pila es un aparato que transforma energía química en energía eléctrica gracias a una reacción química que ocurre en su interior. Explica con tus palabras qué significa esa frase y nombra dos aparatos de tu casa que funcionen con pilas.

En la feria de ciencias, un grupo clava en un limón una placa de zinc y una de cobre, las conecta a un LED y este se enciende: han construido una «pila de limón», como se muestra en la figura.

1. a) ¿Qué hace las veces de electrolito (el medio que conduce la corriente dentro de la pila) en este montaje?
2. b) ¿Por qué crees que hacen falta dos metales distintos y no valdrían dos placas iguales?

La electrólisis es el proceso inverso al de la pila: una corriente eléctrica obliga a ocurrir a una reacción química que por sí sola no se produciría. Completa el esquema con las palabras que faltan: «En la pila, una reacción química $\dots$ corriente eléctrica; en la electrólisis, la corriente eléctrica $\dots$ una reacción química».

Al pasar corriente continua por agua (con unas gotas de ácido para que conduzca la corriente) aparecen burbujas de dos gases distintos en los electrodos, como se muestra en la figura.

1. a) Escribe la ecuación ajustada de la descomposición del agua.
2. b) Nombra los dos gases que se desprenden.

Para platear una cuchara se conecta la cuchara al polo negativo de una fuente y una lámina de plata al polo positivo, ambas sumergidas en una disolución de nitrato de plata ($AgNO_3$), como se muestra en la figura.

1. a) ¿Sobre cuál de los dos electrodos se deposita la plata?
2. b) La disolución iría perdiendo iones de plata si no fuera porque la lámina se va disolviendo: explica qué papel juega la lámina conectada al polo positivo.
3. c) Razona qué le ocurriría a la cuchara si la conectáramos por error al polo positivo.

En la pila Daniell ocurren estas dos semirreacciones: en el electrodo de zinc, $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2\ e^-$; en el electrodo de cobre, $Cu^{2+} + 2\ e^- \rightarrow Cu$.

1. a) Suma las dos semirreacciones y escribe la reacción global de la pila.
2. b) ¿Qué electrodo actúa como polo negativo, es decir, el que cede electrones al circuito?
3. c) Explica, a partir de las semirreacciones, por qué el electrodo de zinc pierde masa y el de cobre la gana mientras la pila funciona.

Clasifica estas pilas y baterías en «de un solo uso» o «recargables»: la pila alcalina de un mando a distancia, la batería de ion-litio de un móvil, la batería de plomo de un coche y la pila botón de un reloj. Explica con tus palabras qué significa que una batería sea recargable.

Cuando enchufas el móvil al cargador, la reacción química de su batería se produce «hacia atrás». Explica, usando la idea de proceso inverso, qué hace el cargador con la corriente eléctrica y en qué se parece la recarga de una batería a una electrólisis.

Compara la pila y la electrólisis respondiendo a estas tres preguntas para cada proceso:

1. a) ¿Qué proceso produce corriente eléctrica y cuál la consume?
2. b) ¿En cuál la reacción química es espontánea y en cuál está forzada por la corriente?
3. c) ¿Qué conversión de energía ocurre en cada uno?

Pon además un ejemplo real de cada proceso.

En la electrólisis del agua, $2\ H_2O \rightarrow 2\ H_2 + O_2$, el volumen de hidrógeno que se recoge siempre es el doble que el de oxígeno, como se muestra en la figura.

Explica, a partir de los coeficientes de la ecuación ajustada, por qué ocurre eso.

En el laboratorio se electroliza agua recogiendo los gases en dos tubos graduados invertidos sobre los electrodos, como se muestra en la figura.

Cuando el tubo del hidrógeno contiene $20\ \text{mL}$, ¿qué volumen de oxígeno esperas encontrar en el otro tubo, medido en las mismas condiciones? Explica la proporción usando los coeficientes de la ecuación ajustada.

En una cuba electrolítica se descompone agua y, entre los dos electrodos, se recogen en total $72\ \text{mL}$ de gas, medidos en las mismas condiciones.

1. a) ¿Qué volumen de hidrógeno y qué volumen de oxígeno se han recogido?
2. b) En esas condiciones, $1\ \text{mol}$ de cualquier gas ocupa $24\ \text{L}$: calcula los moles de cada gas.
3. c) Con la masa molar del agua, $18\ \text{g/mol}$, calcula qué masa de agua se ha descompuesto.

El aluminio se obtiene por electrólisis de su óxido fundido (la alúmina), un proceso que consume enormes cantidades de electricidad.

1. a) Explica, con la idea de «reacción forzada por la corriente», por qué fabricar aluminio es tan caro energéticamente.
2. b) Reciclar una lata consume solo el $5\ \%$ de la energía que cuesta fabricar aluminio nuevo. Por cada $100\ \text{kWh}$ que costaría fabricar aluminio primario, calcula cuánta energía se ahorra si ese aluminio se obtiene reciclando.
3. c) Argumenta, usando ese dato, por qué reciclar latas es una medida importante tanto desde la química como desde el medio ambiente.

El casco de acero de los barcos lleva soldados unos bloques de zinc llamados «ánodos de sacrificio»: es el zinc el que se corroe en lugar del hierro, como se muestra en la figura.

1. a) Teniendo en cuenta lo que ocurre en la pila Daniell, donde el zinc se desgasta cediendo electrones con más facilidad que el cobre, explica por qué un bloque de zinc protege el hierro del casco.
2. b) Razona qué pasaría si los bloques fueran de cobre en lugar de zinc.
3. c) ¿Por qué hay que revisar esos bloques y sustituirlos cada cierto tiempo?