Respuesta libre del examen AP de Química 2015, pregunta 1a

y las celdas electroquímicas metal aire son relativamente un nuevo tipo de fuente de energía portátil que consisten en un ánodo metálico una pasta electrolítica alcalina que contiene agua y como cátodo una membrana porosa que permite la entrada de oxígeno del aire un esquema de la celda se muestra arriba aquí podemos ver las diferentes partes este es el ánodo metálico que como es un ánodo es la terminal negativa de nuestra fuente de energía será la fuente de electrones también tenemos una pasta electrolítica alcalina que contiene agua voy a subrayar eso porque es muy interesante pasta electrolítica alcalina que contiene agua es esta de enmedio y cuando decimos que es alcalina eso significa que será básica es decir que tendrá un ph mayor a 7 pasta electrolítica un electrolito es algo que sí lo disolvemos en una sustancia polar como el agua al estar en solución es muy conduciendo electricidad entonces esto nos dice que la pasta electrolíticas era algo que es bueno conduciendo electricidad y nos dicen que es alcalina así que será básica tendrá un ph mayor a 7 y de este lado como acá todos tenemos una membrana porosa que permite que entre el oxígeno del aire entonces este es el cátodo y es la terminal positiva aquí es a donde los electrones se sentirán atraídos y es una membrana porosa que permite que entre el oxígeno del aire entonces podemos ver que el oxígeno está disponible en esta membrana de alguna forma permite que se filtre porque es porosa los potenciales de reducción para el cátodo y tres posibles a nodos metálicos están dados en la tabla de abajo recuerden para los potenciales de reducción la reducción significa ganar electrones entonces este es el potencial al ganar electrones esa es una forma de verlo o es una reacción que de alguna manera involucra electrones y de este lado tenemos oxígeno molecular reaccionando con agua por cada molécula de oxígeno molecular tenemos dos moléculas de agua cuatro electrones y reaccionan para formar cuatro aniones hidróxido entonces nuevamente esta es una reacción de reducción porque esos electrones son incorporados en la molécula y así nos queda el hidróxido aquí pero si analizamos la celda metal aire eso donde ocurre bueno necesitamos oxígeno agua y electrones entonces si analizamos el cátodo aquí los electrones están entrando el oxígeno entra y podemos suponer que el agua está disponible en esta área la pasta electrolítica tiene agua y el cátodo es poroso todos están disponibles y podemos suponer que esa reacción puede ocurrir justo aquí en el cátodo voy a escribir o dos gaseoso más por cada molécula de otros tendremos dos moléculas de h2o en estado líquido después tenemos los electrones provenientes del alambre y eso produce 4 aniones hidróxido cuatro uniones hidróxido y están en solución son parte de la pasta electrolítica que está disuelta en el agua porque recuerden que es una solución acuosa entonces esto es lo que va a ocurrir los anones hidróxido bueno de hecho podemos decir cuatro años es hidróxido serán producidos cada vez que ocurra esta reacción y nos dicen que el potencial de reducción es un potencial positivo tiene un voltaje positivo y miren aquí dice que es el potencial de reducción a un ph de 11 eso coincide con nuestras condiciones alcalinas porque esta pasta puede filtrarse un poco por aquí y obviamente tenemos todo este hidróxido produciéndose así que tendremos un ph mayor y más básico bueno regresando al hecho de que es un voltaje positivo más 0.34 volts esto significa que el potencial va en esta dirección el potencial eléctrico favorece que la reacción ocurra de izquierda a derecha ahora también nos dicen que nos dan los potenciales de reducción para el cátodo que es de lo que ya hablamos este es el potencial de reducción para el cátodo y tres posibles a nodos metálicos están dados en la tabla de abajo aquí tenemos tres posibles a nodos metálicos podríamos tener zinc sodio o calcio pero empecemos con el zinc que es el primero vamos a suponer que el metal que tenemos aquí qué pasará bueno el zinc reaccionará con los hidróxidos que se producen en el cátodo y después usaremos eso para producir óxido de zinc agua y electrones así que ocurrirá la reacción inversa de este lo escribiré tenemos zinc en estado sólido todo el ánodo está hecho de zinc metálico y luego por cada molécula de eso necesitamos dos años es hidróxido que están disueltos en agua eso es lo que hace alcalina a la pasta electrolítica y luego van a reaccionar para formar óxido de zinc óxido de zinc en estado sólido más agua en estado líquido más dos electrones entonces esta reacción es la que sucede aquí observen que los años es hidróxido se forman en el cátodo y después se mueven hacia la izquierda para reaccionar con el zinc y así formar óxido de zinc entonces tenemos más y más óxido de zinc formándose y el agua que regresa de nuevo a la pasta electrolítica eventualmente volverá a reaccionar en el cátodo y también tenemos estos dos electrones que se convertirán en fuentes de electrones aquí y que después migrarán y pasarán al lado positivo el cátodo para reaccionar de nuevo así que empezamos a ver esto como una fuente de energía y podemos usar esta corriente que se forma al hacer un trabajo útil para eso tenemos una fuente de energía ahora que ya logramos un entendimiento decente de lo que ocurre veamos las preguntas a formas tempranas de celdas metal aire usando zinc como ánodo como en el ejemplo que acabamos de ver el óxido de zinc se produce conforme la celda opera de acuerdo a la siguiente reacción por cada dos moléculas de zinc y una molécula de oxígeno molecular producimos dos moléculas de óxido de zinc usando los datos de la tabla de arriba calcula el potencial de la celda para la celda zinc aire vamos a ver podemos separar esta reacción en dos pasos porque observen que las cosas que están reaccionando son zinc voy a resaltarlo zinc y también tenemos oxígeno oxígeno entonces si invertimos la segunda reacción como antes voy a escribir la bueno escribiré las dos la primera reacción nos queda como a dos gaseoso más dos h2o en estado líquido más cuatro electrones y eso produce cuatro años es hidróxido en solución acuosa y después en esta reacción vamos a ir en la dirección contraria entonces tenemos zinc en estado sólido más dos años es hidróxido y eso produce óxido de zinc en estado sólido más agua líquida más dos electrones entonces cuando analizamos esto podemos ver que está reaccionando tenemos el oxígeno el zinc que son las dos cosas que interactúan aquí y si queremos que sean equivalentes en términos del número de moléculas podemos decir ok si tenemos una molécula de oxígeno molecular y necesitamos dos de zinc hay que multiplicar esta reacción por 2 entonces 252 moléculas de zinc reaccionan con 4 hidróxidos para producir 2 óxidos de zinc 4 perdón dos moléculas de agua y 4 electrones entonces digo oh sí esta reacción ocurre dos veces entonces tenemos el doble de reactivos y de productos y observen que ahora tenemos una molécula de oxígeno molecular dos moléculas de zinc una molécula de oxígeno molecular y dos moléculas de zinc y si todo esto ocurre vamos a producir dos moléculas de óxido de zinc y bueno que hay de todo lo demás que puse en estas reacciones bueno el agua está aquí pero también aquí tenemos dos moléculas de agua y dos moléculas de agua entonces en la reacción total esto se cancela es neutro es decir no producimos ni perdemos agua y luego tenemos cuatro electrones cuatro electrones por eso no están en la reacción total y estas cuatro moléculas de arn iones hidróxido se usarán en la segunda parte de la reacción se producen pero se consumen y si analizamos la reacción total bueno claro podemos ver que estamos usando el oxígeno molecular y el zinc para producir óxido de zinc y nos dicen usando la tabla de arriba calcula el potencial de la celda para la celda zinc aire ok bueno el potencial para la primera reacción es mas 0.34 volts y ahora cuál es el potencial para la segunda reacción bueno como es la reacción inversa de ésta esta reacción tiene un potencial negativo y al invertir la el potencial será positivo entonces más 1.31 volts ahora algunos de ustedes tal vez estén pensando bueno no solamente le invertimos sino que también la multiplicamos por 2 no necesitaríamos multiplicar el voltaje por 2 bueno si solo estuviéramos hablando de la energía que se libera en la reacción si absolutamente si tenemos dos veces la misma reacción tendremos el doble de energía pero recordemos que el voltaje lo podemos ver como energía potencial por unidad de carga y si hacemos más de esto eso no cambia el voltaje actual eso es muy importante y si multiplicamos ambos lados por 2 multiplicaríamos la energía liberada o tomada por 2 pero como estamos hablando de voltaje el voltaje no es una cantidad que dependa del número de cargas o el número de moléculas que tengamos sino que es un potencial por unidad de carga esa sería una forma de verlo entonces para esta pequeña reacción simplemente sumamos estos dos voltajes y nos queda 1.65 volts ahora vamos con la segunda parte la pasta electrolítica contienen iones hidróxido en el diagrama de la celda de arriba dibuja una flecha para indicar la dirección en la que migran los iones hidróxido a través del electrodo conforme la celda opere bueno ya habíamos pensado en eso el hidróxido se produce en el cátodo con esta reacción y se consume en él así que el hidróxido se moverá en esta dirección