Baterías no incluidas
¿Alguna vez recibió un regalo que necesitaba baterías y no había ninguna? ¡Qué molesto! Quizás el regalo fue un coche de juguete que necesitaba la energía electroquímica almacenada de una batería para hacer girar sus ruedas.
En otras palabras, el automóvil necesita baterías para proporcionar una fuerza electromotriz (fem), que es la energía por unidad de carga requerida para separar electrones en una batería. No se deje engañar por el nombre, esta separación de carga es voltaje, no fuerza. Establece un flujo de corriente desde el terminal positivo (+) de una batería al terminal negativo (-) cuando están conectados en un circuito.
La batería de 9 voltios que colocas en el carro de juguete es la fem de la batería. Profundicemos en la termodinámica de las celdas electroquímicas (baterías) y veamos el papel que desempeña la fem en ellas.
Energía libre de Gibbs
El término «libre» en energía libre de Gibbs es un poco engañoso. La energía no es gratuita, pero puede estar disponible, que es como la describió el físico J. Willard Gibbs. La energía libre de Gibbs nos dice la cantidad de energía disponible en una celda electrolítica para trabajar en los electrones moviéndolos. Nos dice de qué manera ocurre una reacción y es una aplicación de la segunda ley de la termodinámica, que es la entropía.
La entropía es el desorden de un sistema. Piensa en esto, de esta manera. ¿Qué es más fácil de lograr: tirar todos los libros de un estante al piso o recoger los libros y volver a colocarlos en sus posiciones originales en el estante? Tirar los libros al suelo es más fácil, y este es un principio general que puede aplicar a un sistema: las cosas se mueven hacia un estado desordenado, en lugar de uno ordenado.
En términos de física, con la energía libre de Gibbs, estamos tratando con la espontaneidad de una reacción. En otras palabras, ¿de qué manera procederá la reacción, o los electrones se moverán espontáneamente en la reacción o no?
Este es un concepto importante cuando se trata de celdas electroquímicas porque solo proporcionan un flujo de electrones (corriente) si se usa el tipo correcto de metales y soluciones en la configuración adecuada.
EMF: Ejemplo
En la celda electroquímica que se muestra en el Diagrama 1, vemos que dos electrones fluyen desde el lado de zinc de la celda hacia el lado de cobre de la celda. La reacción procede espontáneamente del zinc al cobre porque el zinc pierde electrones más fácilmente que el cobre.
 |
Algo tiene que mover esos electrones, y la energía libre disponible de esta disposición es lo que lo hace. Existe una diferencia de potencial eléctrico (fem) entre el zinc y el cobre, que fuerza los electrones del zinc hacia el cobre.
El voltímetro mide esta diferencia de potencial, o fem, como 1,1 voltios. Este es el voltaje estándar en esta disposición en condiciones estándar. La siguiente ecuación involucra la energía libre de Gibbs y la fem de la celda electroquímica:
 |
- ΔG ° es la energía libre de Gibbs en julios (J) en condiciones estándar.
- n es la cantidad de moles de electrones transferidos en la celda. Un mol de electrones equivale a 6.022 x 10 23 electrones.
- F es la constante de Faraday aproximadamente igual a 96,485 culombios por mol (C / mol).
- ε ° es la fem o voltaje de la celda en voltios (V) en condiciones estándar.
Observe el negativo en el lado derecho de la ecuación. Dado que la fem de nuestra célula es positiva, el término de energía libre de Gibbs es negativo. Esto significa que la reacción es espontánea y los electrones fluirán espontáneamente en la dirección indicada en el Diagrama 1. La batería o celda electrolítica está trabajando moviendo los electrones.
Si se nos da energía libre de Gibbs de una celda electroquímica y es positiva, significaría que la reacción no es espontánea y se requeriría un voltaje para trabajar en los electrones moviéndolos. Esto daría lugar a una fem negativa.
¡Todo esto entra en juego al diseñar baterías!
Resumen de la lección
La fuerza electromotriz (fem) no es una fuerza, sino la energía por unidad de carga requerida para separar electrones en una celda electrolítica. Los emfs son voltajes que empujan (funcionan) electrones desde el lado del terminal de alto potencial (+) de la batería al lado del terminal de bajo potencial (-) de la batería.
La energía libre de Gibbs es la cantidad de energía disponible para mover electrones (trabajar en ellos) en una celda electrolítica. Es la forma de determinar si una reacción es espontánea. Una reacción espontánea (energía libre de Gibbs negativa) significa que los electrones se mueven debido a una fem natural en el sistema. Una reacción no espontánea (energía libre de Gibbs positiva) significa que se debe proporcionar una fem para mover electrones. La energía libre de Gibbs es parte de la segunda ley de la termodinámica, que es la entropía , o el desorden de un sistema, la tendencia de los sistemas a volverse más desordenados.
La ecuación para la energía libre de Gibbs es ΔG ° = – nF ε °.
Continúa con:
- Física
Fuerza centrípeta: definición, ejemplos y problemas
¿Qué es una fuerza centrípeta? ¿Cuántos ejemplos puedes pensar de dónde se mueve un objeto...
- Química
¿Qué es pKa en Química? Fórmula de fuerza ácida y ejemplos
¿Qué es pKa? Se le puede pedir a un estudiante de química orgánica que determine...
- Química
Gráficos de fuerza Vs tiempo y fuerza versus distancia
Usar gráficos para resolver problemas A algunas personas les encantan los números, pero los números...
- Física
Fuerza de flotación: definición, ecuación y ejemplos
Cómo flota un objeto pesado Subamos a un gran crucero. ¿Qué notas debajo de tus...