QuímicaFácil2,5 pts

Electrólisis y leyes de Faraday

Cataluña · 2023 · Septiembre

Enunciado

La descarbonización del planeta es uno de los grandes retos mundiales para combatir el cambio climático. Para conseguirlo, el hidrógeno se postula como la principal alternativa a los combustibles fósiles. Sin embargo, para lograr una descarbonización completa hay que producir el hidrógeno de manera sostenible. El llamado hidrógeno verde se obtiene por electrólisis del agua, eso es, la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno aplicando una corriente eléctrica, pero usando electricidad obtenida de fuentes renovables.

a) (1,25 puntos) Indique las semirreacciones que tienen lugar en el cátodo y el ánodo en un proceso de electrólisis del agua. Indique la reacción global. Razone, cualitativamente, en cuál de los dos electrodos se liberará más gas a

1\ \text{atm}

de presión y a

20\ °\text{C}

.

b) (1,25 puntos) Se prepara una celda electrolítica con una solución que contiene ácido sulfúrico (

\text{H}_2\text{SO}_4

) y se hace pasar durante

2\ \text{h}

una corriente eléctrica de

1{,}0\ \text{A}

. Calcule el volumen de hidrógeno producido, medido a

1\ \text{atm}

de presión y a

20\ °\text{C}

. Considere la solución suficientemente ácida y que el hidrógeno se comporta idealmente.

Datos: Constante de Faraday:

F = 9{,}65\times 10^{4}\ \text{C mol}^{-1}

. Constante universal de los gases ideales:

R = 0{,}082\ \text{atm L K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}

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Resultado

a) Cátodo:

2\,\text{H}_2\text{O} + 2\,\text{e}^- \rightarrow \text{H}_2 + 2\,\text{OH}^-

; ánodo:

2\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{O}_2 + 4\,\text{H}^+ + 4\,\text{e}^-

; global:

2\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{O}_2 + 2\,\text{H}_2

. Se libera más gas en el cátodo (el doble de H₂ que de O₂).

b)

\boxed{\;V(\text{H}_2) = 0{,}896\ \text{L}\;}

Ver la solución oficialla corrección de la PAU, con los puntos de cada paso

Solución oficial

Corrección oficial de la PAU de Cataluña (Generalitat de Catalunya), traducida del catalán. Las puntuaciones de cada paso son las de la pauta de corrección.

a)

Electrólisis del agua

Cátodo

0,30 p. Semirreacción de reducción:

2\,\text{H}_2\text{O(l)} + 2\,\text{e}^- \rightarrow \text{H}_2\text{(g)} + 2\,\text{OH}^-\text{(aq)}

También se considerará correcto: $\text{H}_2\text{O(l)} + \text{e}^- \rightarrow \tfrac{1}{2}\,\text{H}_2\text{(g)} + \text{OH}^-\text{(aq)}$

Ánodo

0,30 p. Semirreacción de oxidación:

2\,\text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow \text{O}_2\text{(g)} + 4\,\text{H}^+\text{(aq)} + 4\,\text{e}^-

También se considerará correcto: $\text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow \tfrac{1}{2}\,\text{O}_2\text{(g)} + 2\,\text{H}^+\text{(aq)} + 2\,\text{e}^-$

Reacción global

0,35 p.

2\times\left(2\,\text{H}_2\text{O(l)} + 2\,\text{e}^- \rightarrow \text{H}_2\text{(g)} + 2\,\text{OH}^-\text{(aq)}\right)

2\,\text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow \text{O}_2\text{(g)} + 4\,\text{H}^+\text{(aq)} + 4\,\text{e}^-

\overline{6\,\text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow \text{O}_2\text{(g)} + 2\,\text{H}_2\text{(g)} + 4\,\text{H}^+\text{(aq)} + 4\,\text{OH}^-\text{(aq)}}

2\,\text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow \text{O}_2\text{(g)} + 2\,\text{H}_2\text{(g)}

También se considerarán correctas otras posibles igualaciones de la reacción global, siempre que la estequiometría sea correcta, por ejemplo: $\text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow \tfrac{1}{2}\,\text{O}_2\text{(g)} + \text{H}_2\text{(g)}$

Justificad en cuál de los dos electrodos se libera más gas

0,30 p. Según la reacción global, por cada 2 moles de agua que reaccionan, en el cátodo se liberan dos moles de H₂ y en el ánodo se libera un mol de O₂.