Termodinámica y reacciones electroquímicas
¿Qué son las reacciones electroquímicas?
Muchos de nosotros pasamos nuestros días escribiendo en computadoras portátiles o interactuando con varias aplicaciones en nuestros teléfonos. Todas estas pequeñas piezas de tecnología funcionan con baterías, que funcionan mediante reacciones electroquímicas . Una reacción electroquímica es cualquier tipo de reacción química que implica el movimiento de electrones, lo que genera electricidad.
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Las reacciones electroquímicas se pueden dividir en dos tipos: celdas voltaicas o celdas electroquímicas. Las pilas voltaicas son las baterías con las que estamos más familiarizados. Tienen reacciones redox favorables, donde se transfieren electrones, entre diferentes productos químicos. El movimiento de electrones crea electricidad. Estas reacciones ocurren de forma espontánea. Las reacciones electroquímicas, por otro lado, se ejecutan a la inversa. Se debe aplicar energía eléctrica a la celda para realizar reacciones redox.
Cualquiera de estas reacciones electroquímicas se rige por las propiedades de la termodinámica. A continuación, veremos cómo el potencial celular y la constante de equilibrio para las reacciones electroquímicas se relacionan con la energía libre de Gibb.
¿Qué es la energía libre de Gibb?
La energía libre de un sistema, o la energía libre de Gibb, es una medida de cuánto trabajo se puede realizar en un sistema. Toma en consideración el calor y la entropía perdidos o ganados durante una reacción química. Cualquier reacción con una energía libre negativa se producirá espontáneamente o por sí misma. Las reacciones con una energía libre positiva necesitan energía puesta en el sistema para que ocurran.
Potencial de celda estándar y energía libre de Gibbs
Dado que la energía libre es una medida de cuánto trabajo puede realizar un sistema, la energía libre se puede relacionar con la ecuación del trabajo realizado por una celda electroquímica o voltaica:
G = celda -nFE
En esta ecuación, la variable n es igual al número de moles de los electrones que fluyen, F es la constante de Faraday y Ecell es el potencial celular. El potencial de la celda es el voltaje entre dos lados de la batería en una reacción. Puede pensar en el potencial de la celda como la energía almacenada en la batería.
Al observar la relación entre la energía libre (G) y el potencial celular ( celda E ), podemos ver que cuando el potencial celular es positivo, la energía libre es negativa. Esto significa que cuando hay un potencial celular positivo general, la reacción es espontánea y ocurrirá sin ningún aporte de energía adicional.
Dado que las células voltaicas contienen reacciones que ocurren espontáneamente, siempre tendrán un potencial celular positivo. Las células electroquímicas, por otro lado, necesitan energía para que se produzca la reacción. Entonces, sus potenciales celulares serán negativos.
Observar la relación entre la energía libre y el potencial celular también nos dice que la relación es proporcional. A medida que el potencial celular aumenta, la energía libre para la reacción también aumenta.
Constante de equilibrio y energía libre de Gibbs
¿Cómo se relaciona la energía libre con la constante de equilibrio para una reacción, k ? La constante de equilibrio describe la relación entre la concentración de productos y reactivos cuando una reacción está en equilibrio. La constante de equilibrio puede ayudar a predecir en qué dirección procederá una reacción. Si la constante de equilibrio es mayor que uno, la reacción favorecerá los productos. Sin embargo, si la constante de equilibrio es menor que uno, los reactivos se verán favorecidos y la reacción procederá a la inversa.
Entonces, ¿cómo se relaciona esto con la energía libre? Recordemos que el cambio de energía libre también es igual a la constante de gas multiplicada por la temperatura por el logaritmo natural de la constante de equilibrio, k .
G = -RT * ln (k)
Entonces, la celda -nFE también es igual a -RT * ln (k)
Al observar estas dos ecuaciones, podemos ver que la constante de equilibrio y el potencial celular tienen una relación logarítmica directa. A medida que aumenta el potencial celular, también aumenta el logaritmo de la constante de equilibrio.
Podemos usar esta información para relacionar la constante de equilibrio con la energía libre. Si una ecuación tiene una constante de equilibrio positiva grande, procederá a favorecer los productos y la energía libre de la ecuación será en gran medida negativa, lo que significa que la reacción será espontánea. Las células voltaicas tenderán a tener constantes de equilibrio que favorezcan a los productos, mientras que las células electroquímicas tendrán constantes de equilibrio que favorezcan a los reactivos. Ésta es la razón por la que se debe poner energía en las células electroquímicas para impulsar la reacción.
Resumen de la lección
Las reacciones electroquímicas implican el movimiento de electrones. Pueden utilizar células voltaicas , que proceden espontáneamente, tienen valores negativos de energía libre, grandes potenciales de células y grandes constantes de equilibrio. O bien, las reacciones electroquímicas pueden utilizar celdas electroquímicas , que deben tener una fuente de energía para continuar. Tienen valores positivos de energía libre, potenciales de celda negativos y pequeñas constantes de equilibrio inferiores a uno. La energía libre negativa se corresponde con las reacciones espontáneas, los valores positivos del potencial celular y las constantes de equilibrio inferiores a uno. Las reacciones con energía libre positiva no son espontáneas y se corresponden con potenciales celulares negativos y constantes de equilibrio menores que uno.