Electroquímica: Energía libre y energía potencial celular
La celda galvánica
Nuestras vidas serían inimaginables sin electricidad ni baterías. Nuestras vidas dependen literalmente de ellos. Una batería es una celda electroquímica que convierte la energía química en energía eléctrica. Aquí, nos centraremos en la celda galvánica , donde una reacción química espontánea produce energía eléctrica. Esta energía alimenta nuestros teléfonos celulares, nuestras computadoras portátiles, nuestros autos, ¡casi todo!
Una celda galvánica, también llamada celda voltaica, hace uso de reacciones químicas de reducción-oxidación. Una reacción redox se divide en dos semirreacciones. Una semirreacción implica la pérdida de electrones, y decimos que se oxida. La otra semirreacción implica la ganancia de electrones, y decimos que se reduce. Me gusta usar la palabra OILRIG para ayudarme a recordar en qué dirección va esto: oxidación es pérdida, reducción es ganancia. El número de electrones perdidos debe ser el mismo que el número de electrones ganados. Debemos asegurarnos de estar equilibrados.
Aquí hay un ejemplo de dos semirreacciones:
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Tenemos cobre dos más ganando dos electrones formando cobre sólido. De OILRIG , saben que esta es la semirreacción de reducción. La segunda semirreacción es el zinc sólido que pierde dos electrones formando zinc dos más. De nuevo, OILRIG le dice que esta es la semirreacción de oxidación. Esta es una ecuación balanceada, ya que el número de electrones ganados y perdidos es el mismo.
En una celda galvánica, las dos semirreacciones ocurren en dos electrodos diferentes, a menudo de metal o alambre en una solución. Veamos ahora una celda galvánica típica:
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A la izquierda, estamos en el ánodo y tenemos un electrodo de zinc sumergido en una solución de zinc dos más. Un buey vive aquí porque los electrones se producen en el ánodo durante la oxidación. Estos dos electrones se mueven a través del cable hasta donde vive el gato rojo. Aquí tiene lugar una reducción en el cátodo de cobre.
Un puente de sal completa el circuito y se produce un voltaje. Diferentes medias celdas producen diferentes voltajes. Este voltaje se conoce como energía potencial de la celda , o celda E, y es una medida de la espontaneidad de la reacción.
Medición de la energía potencial celular
La fuerza impulsora detrás de una celda galvánica es la energía potencial de la celda. Cuanto mayor sea el potencial celular, más trabajo podremos sacar de la celda. Entonces, ¿cómo sabemos cuánta energía vamos a sacar? En cada celda diferente que juntes tendrás dos medias reacciones. Uno es la oxidación, un buey, y otro es la reducción, gato rojo.
Cada uno tendrá un voltaje estándar asociado. Estos son Eox (o oxidación E) y Ered (o reducción E). El valor depende de la reacción que tenga lugar allí. Simplemente podemos buscar nuestra reacción en una tabla de potencial estándar y calcular el potencial celular general, Ecell. Antes de seguir adelante y hacer eso, echemos un vistazo más de cerca a la tabla de potencial estándar.
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Lo primero que hay que notar es que todos los potenciales estándar se muestran como reacciones de reducción. Esto es solo una convención. En realidad, tendrá una reacción de reducción y una de oxidación. Por favor, no cambie la reacción o el signo del número. Simplemente encuentre su reacción en el formulario de reducción y use el número tal como está escrito. Ni siquiera necesita preocuparse por la cantidad de electrones transferidos. Solo usa el número que te dieron. Para nuestra celda, usaremos las reacciones de zinc dos más y cobre dos más.
Entonces, digamos que está armando una celda y no está seguro de qué semirreacción pertenece a Red Cat (se está reduciendo) y qué semirreacción pertenece a An Ox (se está oxidando). Hay una manera muy fácil de resolver esto. El valor más negativo siempre va con An Ox. El valor más positivo siempre va con Red Cat. Entonces, para nuestra celda, la tabla nos muestra que el valor de zinc es más negativo y está con el Buey y el valor del cobre es más positivo y va con Red Cat. El zinc se oxida y el cobre se reduce.
Bien, ahora entendemos la tabla, calculemos la energía potencial de la celda para nuestra celda usando la siguiente ecuación: E (celda) = E (rojo) – E (ox). Simplemente restamos E (ox) de E (rojo) para encontrar el valor general. Entonces, mirando los números en la tabla, tenemos 0.34 – -0.762 = + 1.10V. Cuanto mayor sea este número positivo, más espontánea será la reacción y más trabajo podremos sacar de la célula.
El vínculo entre energía libre y energía potencial celular
Tanto la energía potencial celular (E) como la energía libre de Gibbs (G) miden la espontaneidad de una reacción. Entonces, ¿cómo están vinculados? Resulta que estas dos cantidades se pueden vincular mediante la siguiente ecuación: delta G = -n * F * E. Delta G es el cambio de energía libre estándar para la reacción. El pequeño signo de grado solo le dice que esta celda está en condiciones estándar. Las condiciones estándar aquí son una presión atmosférica y una concentración molar.
- E es el voltaje estándar, o energía potencial de la celda, para la reacción.
- N es el número de moles de electrones transferidos en la celda.
- F es la constante de Faraday, que es aproximadamente 96,500 J / mol V.
Es muy importante que observe que delta G y E tienen signos opuestos. Una reacción espontánea tiene un valor de energía libre de Gibbs negativo y una energía potencial celular positiva. Entonces, calculemos la energía libre para nuestra célula.
Podemos ver que se transfieren 2 electrones, entonces n = 2. Ya hemos calculado la energía potencial de la celda, entonces E = 1.10V. Entonces, poniendo los números: Delta G = – 2 mol de electrones x 96,500 J / mol V x 1.10V = – 212,300 J o – 212.3 kJ. Tenemos un potencial celular positivo y una energía libre de Gibbs negativa, por lo que tenemos una reacción espontánea.
Resumen de la lección
En esta lección, ha aprendido que la energía se puede convertir de energía química a energía eléctrica en una celda electroquímica . Una celda galvánica utiliza reacciones redox espontáneas para aprovechar la energía. Las reacciones redox se dividen en dos semirreacciones. La oxidación tiene lugar en el ánodo y la reducción tiene lugar en el cátodo. La energía potencial celular es una medida de la espontaneidad de la reacción. Se requiere una energía potencial celular positiva para que la reacción sea espontánea. Finalmente, el vínculo entre la energía libre y la energía potencial celular es delta G = -n * F * E.
Los resultados del aprendizaje
Debería tener la capacidad de hacer lo siguiente después de ver esta lección en video:
- Describe las dos semirreacciones que componen las reacciones redox.
- Recuerda cómo funciona una celda galvánica
- Explica qué es la energía potencial celular y cómo usar una tabla de potencial estándar.
- Identificar el vínculo entre la energía libre y la energía potencial celular.