PAU Química 2011 · Juny · Sèrie 1 · Exercici 3

3. La pila de combustible d’electròlit polimèric que es mostra en la figura és una pila de combustible típica. El funcionament consisteix a introduir en la cel·la hidrogen i oxigen gasosos de manera continuada, alhora que s’elimina el producte de la reac- ció (aigua). Així, es pot generar energia elèctrica mentre es manté el subministra- ment de reactius. Aquesta pila està formada per dos elèctrodes recoberts de platí, que actua com a catalitzador, separats per una membrana polimèrica que conté un electròlit i que hi permet el pas de H+. Pila de combustible d’electròlit polimèric flux d’electrons elèctrode de platí elèctrode de platí H+ hidrogen, H2(g) oxigen, O2(g) H+ H+ aigua, H2O(l) membrana intercanviadora de H+ electròlit a) Escriviu les semireaccions anòdica i catòdica, i la reacció global de la pila de combustible d’electròlit polimèric. Indiqueu la polaritat dels elèctrodes. [1 punt] b) La quantitat teòrica màxima d’energia elèctrica disponible en una pila electro- química és la variació d’energia lliure (ΔG°), mentre que la quantitat màxima d’energia alliberada quan es crema un combustible és la seva variació d’ental- pia (ΔH°). Per a avaluar una pila de combustible s’utilitza el paràmetre del valor d’eficiència (ε), que es defineix ε=ΔG°/ΔH°. Calculeu la força electromotriu (FEM) i l’eficiència (ε) de la pila de combustible d’electròlit polimèric, en con- dicions estàndard i a 298K. [1 punt] Constant de Faraday, F=9,65×104 Cmol–1. DADES: Entalpia estàndard de formació de l’aigua líquida a 298K: ΔHf°=–285,8kJmol–1. Potencial estàndard de reducció a 298K: E°(H+| H2)=0,00V; E°(O2|H2O)=1,23V.

Pregunta 3 a) Pila de combustible: Semireacció catòdica (reducció) O2 + 4 H+ + 4 e- → 2 H2O [0,3 p] Semireacció anòdica (oxidació) H2 → 2 H+ + 2 e- [0,3 p] Reacció global: multipliquem la semireacció anòdica per 2 (per igualar el nombre d’electrons), i sumem les dues semireaccions. Reacció global: O2 + 2 H2 → 2 H2O [0,2 p] ƒ També és correcte si divideixen la reacció catòdica per 2 (per igualar el nombre d’electrons) i sumem les dues semireaccions: Reacció global: 1/2 O2 + H2 → H2O Càtode (o elèctrode d’entrada del O2): polaritat positiva (+) Ànode (o elèctrode d’entrada del H2): polaritat negativa (-) [0,2 p] Pregunta 3 b) Força electromotriu (FEM) Eo = Eo CÀTODE - Eo ÀNODE = Eo (O2 / H2O) – Eo (H+ / H2) [0,2 p] Eo = (1,23) – (0,00) = 1,23 V FEM = 1,23 V [0,1 p] Eficiència (ε) ε = ΔGo / ΔHo Dada: 1/2 O2 + 2 H2 → H2O ΔHo f = –285,8 kJ / mol aigua Procediment 1 Si la reacció global la tenim igualada així: O2 + 2 H2 → 2 H2O ΔHo = 2 mols aigua x (- 285,8 kJ /mol aigua) = – 571,6 kJ [0,2 p […]