Electrólisis y leyes de Faraday

El uso de fertilizantes químicos es una práctica habitual en la agricultura moderna para aumentar el rendimiento de los cultivos. Uno de los más utilizados es el nitrato de amonio ($\text{NH}_4\text{NO}_3$), que aporta nitrógeno en dos formas que las plantas pueden asimilar: el ion amonio ($\text{NH}_4^{+}$) y el ion nitrato ($\text{NO}_3^{-}$). Este compuesto es muy soluble en agua y, al disolverse, puede modificar el pH del suelo y, por tanto, afectar a la disponibilidad de los nutrientes minerales.

Cuando se disuelve en agua, el nitrato de amonio se disocia completamente:$$\text{NH}_4\text{NO}_3(\text{s}) \rightarrow \text{NH}_4^{+}(\text{aq}) + \text{NO}_3^{-}(\text{aq})$$Y el ion amonio formado se comporta como un ácido débil según el equilibrio siguiente:$$\text{NH}_4^{+}(\text{aq}) + \text{H}_2\text{O}(\text{l}) \rightleftharpoons \text{NH}_3(\text{aq}) + \text{H}_3\text{O}^{+}(\text{aq}) \qquad K_a = 5{,}62\times 10^{-10}\ \text{a}\ 25\ ^\circ\text{C}$$En los suelos agrícolas, el pH influye fuertemente en la disponibilidad de los nutrientes. Con valores de pH bajos, los iones $\text{Fe}^{2+}$ y $\text{Mn}^{2+}$ se vuelven más solubles, pero el fósforo (en forma de $\text{PO}_4^{3-}$) queda retenido y se vuelve menos accesible para las plantas. Por otro lado, con valores de pH altos pasa lo contrario: el hierro se vuelve insoluble y menos accesible para las plantas, mientras que el fósforo se encuentra más disponible.

4.3. (1,25 puntos) Los microorganismos que se encuentran en la tierra también pueden oxidar la materia orgánica que los rodea, y este fenómeno se puede utilizar para generar electricidad en las llamadas biopilas (o microbial fuel cells). Tal como se muestra en la figura, en una biopila sencilla las bacterias del compartimento del ánodo descomponen compuestos orgánicos presentes en el suelo y liberan electrones y protones. Los electrones se dirigen hacia el cátodo a través de un circuito externo, y generan corriente eléctrica, mientras que los protones atraviesan una membrana hasta el cátodo, donde reaccionan con el oxígeno y forman agua.

En la figura: «bacteria», «Ánodo» y «Cátodo».

Escriba la semirreacción que tiene lugar en el cátodo de una biopila.

Si en una biopila se obtienen $0{,}25\ \text{A}$ de corriente de manera constante, calcule cuántos gramos de oxígeno se consumen en el cátodo en $1\ \text{h}$ de funcionamiento.

Datos: Números atómicos: $Z(\text{H}) = 1$; $Z(\text{C}) = 6$; $Z(\text{O}) = 8$.
Masas atómicas relativas: $\text{H} = 1{,}0$; $\text{N} = 14{,}0$; $\text{O} = 16{,}0$.
Constante de ionización del agua a $25\ ^\circ\text{C}$: $K_w = 1{,}0\times 10^{-14}$.
Constante de Faraday: $F = 96\,500\ \text{C mol}^{-1}$.
$1\ \text{A} = 1\ \text{C s}^{-1}$.