PAU Química 2021 · Juny · Sèrie 2 · Exercici 4

4. L’hidrogen és un element abundant que generalment no es troba com a gas pur (H2), sinó unit a l’oxigen (H2O) o al carboni (CH4). En un article publicat per la revista Nature Chemistry, experts en nanotecnologia de Stanford i Aarhus expliquen com es pot alli­ berar l’hidrogen de l’aigua a escala industrial mitjançant l’ús de l’electròlisi, substituint l’elèctrode tradicional de platí (càtode) per un elèctrode de carboni grafit modificat quí­ micament. a) Escriviu les semireaccions que tenen lloc a l’ànode i al càtode en l’electròlisi d’aigua lleugerament acidulada. Dibuixeu un esquema del muntatge experimental. [1,25 punts] b) Efectuem l’electròlisi de l’aigua durant vint hores emprant una intensitat de corrent de 3,0 A. Quina pressió exercirà l’hidrogen obtingut, si el considerem un gas ideal, en introduir-lo en un recipient de 0,10 L on la temperatura és de 200 K? Raoneu, mit­ jançant el model cineticomolecular dels gasos, per què la pressió real de l’hidrogen es desvia una mica d’aquest valor. [1,25 punts] Dades:  Constant dels gasos ideals: R = 0,082 atm L K–1 mol–1 = 8,31 J K–1 mol–1. Constant de Faraday: F = 9,65 × 104 C mol–1.

Pregunta 4a Escriure les semireaccions Ànode H2O → ½ O2(g) + 2 H+ + 2 e- [0,2 p] Càtode 2 H2O + 2 e- → H2(g) + 2 OH- [0,2 p] o també: 2 H+ + 2 e- → H2(g) Dibuixar l’esquema del muntatge experimental de l’electròlisi Possibles esquemes del muntatge experimental: pila H2O elèctrode elèctrode pila Gas A: O2, gas B: H2 Cal que en el dibuix surti: - Recipient que conté l’aigua lleugerament acidulada (per exemple, cubeta) [0,1 p] - Dos elèctrodes: càtode i ànode (no cal que indiquin de quin material són) [0,2 p] - Dos recipients que recullen els gasos: H2 i O2 (per exemple, tubs d’assaig) [0,2 p] - Pila o font d’alimentació (amb cables que s’uneixen als elèctrodes) [0,35 p] Pregunta 4b Càlcul de la pressió de l’H2(g) Reacció (apartat a): 2 H2O + 2 e- → H2(g) + 2 OH- o 2 H+ + 2 e- → H2(g) - Càlcul dels mols d’H2 Dades. Temps = 20 h x (3600 s / 1 h) = 72000 s Intensitat = 3 A = 3 C / s Reacció. Estequiometria: 1 mol hidrogen necessita 2 mol d’electrons 72000 s x (3,0 C / s) x (1 mol e- / 9,65 […]