Ecuación de Nernst y Celdas de Concentración

La ecuación de Nernst es una herramienta fundamental en electroquímica que relaciona el potencial de una celda con las concentraciones de las especies involucradas en la reacción redox. Esta ecuación se expresa como:

E = E° - (RT/nF) ln Q

Donde:

• E es el potencial de celda en condiciones no estándar
• E° es el potencial estándar de celda
• R es la constante de los gases
• T es la temperatura en Kelvin
• n es el número de electrones transferidos
• F es la constante de Faraday
• Q es el cociente de reacción

Example: Para la reacción Zn$s$ + Cu²⁺$ac$ → Zn²⁺$ac$ + Cu(s) a 25°C, la ecuación de Nernst se simplifica a: E = 1.10 V - 0.0257 V log($Zn²⁺$/$Cu²⁺$)

Las celdas de concentración son un tipo especial de celda galvánica donde los electrodos son idénticos pero las concentraciones de los electrolitos difieren. El potencial de estas celdas se puede calcular utilizando la ecuación de Nernst.

Highlight: En las celdas de concentración, la diferencia de potencial surge únicamente de la diferencia en las concentraciones de los electrolitos.

La ecuación de Nernst también permite predecir la dirección de una reacción redox en condiciones no estándar. Si E > E°, la reacción procederá espontáneamente en la dirección directa.

Vocabulary: Cociente de reacción (Q): Relación entre las concentraciones de productos y reactivos en un momento dado de la reacción.

Baterías y Celdas de Combustible

Las baterías son dispositivos electroquímicos que convierten energía química en energía eléctrica. Existen varios tipos de baterías, cada una con sus propias características y aplicaciones.

La celda seca o pila de Leclanché es un tipo común de batería que utiliza zinc como ánodo y dióxido de manganeso como cátodo. Las reacciones que ocurren son:

Ánodo: Zn$s$ → Zn²⁺$ac$ + 2e⁻ Cátodo: 2NH₄⁺$ac$ + 2MnO₂$s$ + 2e⁻ → Mn₂O₃$s$ + 2NH₃$ac$ + H₂O(l)

Example: La batería de mercurio utiliza una amalgama de zinc como ánodo y óxido de mercurio(II) como cátodo, proporcionando un voltaje constante durante su vida útil.

La batería de plomo-ácido, comúnmente utilizada en automóviles, involucra las siguientes reacciones:

Ánodo: Pb$s$ + SO₄²⁻$ac$ → PbSO₄$s$ + 2e⁻ Cátodo: PbO₂$s$ + 4H⁺$ac$ + SO₄²⁻$ac$ + 2e⁻ → PbSO₄$s$ + 2H₂O(l)

Las celdas de combustible son dispositivos electroquímicos que convierten directamente la energía química de un combustible en energía eléctrica. A diferencia de las baterías, requieren un suministro continuo de reactivos.

Highlight: Las celdas de combustible de hidrógeno son particularmente prometedoras para aplicaciones de energía limpia, ya que su único subproducto es agua.

Vocabulary: Celda de combustible: Dispositivo electroquímico que convierte la energía química de un combustible directamente en electricidad sin combustión.

Corrosión y Baterías de Ion Litio

La corrosión es un proceso electroquímico que degrada los metales, especialmente en presencia de oxígeno y humedad. La reacción general de corrosión del hierro es:

4Fe$s$ + 3O₂$g$ + 2H₂O(l) → 4Fe(OH)₃(s)

Para prevenir la corrosión, se utilizan varios métodos:

1. Recubrimientos protectores
2. Protección catódica
3. Aleaciones resistentes a la corrosión
4. Pasivación

Vocabulary: Pasivación: Formación de una capa protectora de óxido en la superficie del metal que lo protege de una mayor corrosión.

Las baterías de ion litio son ampliamente utilizadas en dispositivos electrónicos portátiles debido a su alta densidad energética. La reacción general en estas baterías es:

Li$s$ + CoO₂(s) ⇌ LiCoO₂(s)

Highlight: Las baterías de ion litio tienen una alta relación energía/peso, lo que las hace ideales para dispositivos móviles y vehículos eléctricos.

La comprensión de los principios electroquímicos es crucial para el desarrollo de tecnologías energéticas más eficientes y sostenibles, desde baterías mejoradas hasta métodos avanzados de prevención de la corrosión.

Example: En los sistemas de refrigeración y radiadores de automóviles, se utilizan inhibidores de corrosión para proteger las superficies metálicas del deterioro.

Fundamentos de Electroquímica y Termodinámica

La electroquímica es una rama fundamental de la química que estudia las reacciones de oxidación-reducción (redox) y su aplicación en dispositivos como celdas galvánicas. Este capítulo introduce conceptos clave como la constante de Faraday y la relación entre energía química y eléctrica.

La constante de Faraday (F) representa la carga eléctrica de un mol de electrones, siendo un valor crucial en cálculos electroquímicos. Se define como:

Definición: F = 6.022 x 10²³ e⁻/mol × 1.602 x 10⁻¹⁹ C/e⁻ ≈ 96,500 C/mol e⁻

En las celdas galvánicas, la energía química se convierte en energía eléctrica. La relación entre estas formas de energía se expresa mediante la ecuación:

ΔG = -nFEcelda

Donde:

• ΔG es el cambio en la energía libre de Gibbs
• n es el número de moles de electrones transferidos
• F es la constante de Faraday
• Ecelda es el potencial de la celda

Highlight: La energía libre de Gibbs (ΔG) determina la espontaneidad de una reacción redox. Si ΔG es negativo, la reacción es espontánea.

La termodinámica de las reacciones redox es fundamental para comprender su comportamiento. El potencial estándar de celda (E°celda) está directamente relacionado con la constante de equilibrio (K) de la reacción:

E°celda = (RT/nF) ln K

Esta relación permite predecir la dirección y extensión de una reacción redox en condiciones estándar.