Potencial de electrodo estándar - Standard electrode potential
En electroquímica , el potencial de electrodo estándar ( E °) se define como el valor de la fem estándar de una celda en la que el hidrógeno molecular bajo presión estándar se oxida a protones solvatados en el electrodo izquierdo .
La base de una celda electroquímica , como la celda galvánica , es siempre una reacción redox que se puede dividir en dos semirreacciones : oxidación en el ánodo (pérdida de electrones) y reducción en el cátodo (ganancia de electrones). La electricidad se genera debido a la diferencia de potencial eléctrico entre dos electrodos. Esta diferencia de potencial se crea como resultado de la diferencia entre los potenciales individuales de los dos electrodos metálicos con respecto al electrolito . (El electrodo reversible es un electrodo que debe su potencial a cambios de naturaleza reversible , a diferencia de los electrodos usados en galvanoplastia que se destruyen durante su uso). Es la medida de poder reductor de cualquier elemento o compuesto.
Aunque se puede medir el potencial general de una celda, no existe una forma sencilla de medir con precisión los potenciales de electrodo / electrolito de forma aislada. El potencial eléctrico también varía con la temperatura, la concentración y la presión. Dado que el potencial de oxidación de una semirreacción es el negativo del potencial de reducción en una reacción redox, es suficiente calcular cualquiera de los potenciales. Por lo tanto, el potencial de electrodo estándar se escribe comúnmente como potencial de reducción estándar. En cada interfaz electrodo-electrolito hay una tendencia a que los iones metálicos de la solución se depositen en el electrodo metálico tratando de cargarlo positivamente. Al mismo tiempo, los átomos metálicos del electrodo tienden a entrar en la solución como iones y dejar los electrones en el electrodo tratando de cargarlo negativamente. En el equilibrio, hay una separación de cargas y dependiendo de las tendencias de las dos reacciones opuestas, el electrodo puede estar cargado positiva o negativamente con respecto a la solución. Se desarrolla una diferencia de potencial entre el electrodo y el electrolito que se denomina potencial de electrodo . Cuando la concentración de todas las especies involucradas en una media celda es la unidad, entonces el potencial del electrodo se conoce como potencial del electrodo estándar. Según la convención de la IUPAC, los potenciales de reducción estándar ahora se denominan potenciales de electrodo estándar. En una celda galvánica, la media celda en la que se produce la oxidación se llama ánodo y tiene un potencial negativo con respecto a la solución. La otra media celda en la que tiene lugar la reducción se llama cátodo y tiene un potencial positivo con respecto a la solución. Por lo tanto, existe una diferencia de potencial entre los dos electrodos y tan pronto como el interruptor está en la posición de encendido, los electrones fluyen del electrodo negativo al electrodo positivo. La dirección del flujo de corriente es opuesta a la del flujo de electrones.
Cálculo
El potencial del electrodo no se puede obtener empíricamente. El potencial de la celda galvánica resulta de un par de electrodos. Por lo tanto, solo un valor empírico está disponible en un par de electrodos y no es posible determinar el valor para cada electrodo en el par utilizando el potencial de celda galvánico obtenido empíricamente. Es necesario establecer un electrodo de referencia, electrodo de hidrógeno estándar (SHE), para el cual el potencial se define o se acuerda por convención. En este caso, el electrodo de hidrógeno estándar se establece en 0.00 V y cualquier electrodo, para el cual aún no se conoce el potencial del electrodo, se puede emparejar con el electrodo de hidrógeno estándar, para formar una celda galvánica, y el potencial de la celda galvánica da el potencial del electrodo desconocido. . Usando este proceso, cualquier electrodo con un potencial desconocido se puede emparejar con el electrodo de hidrógeno estándar u otro electrodo para el cual ya se ha derivado el potencial y se puede establecer ese valor desconocido.
Dado que los potenciales de electrodo se definen convencionalmente como potenciales de reducción, el signo del potencial del electrodo de metal que se oxida debe invertirse cuando se calcula el potencial total de la celda. Los potenciales de los electrodos son independientes de la cantidad de electrones transferidos; se expresan en voltios, que miden la energía por electrón transferido, por lo que los dos potenciales de los electrodos se pueden combinar simplemente para obtener el potencial general de la celda, incluso si hay diferentes números de electrones involucrados en las reacciones de los dos electrodos.
Para mediciones prácticas, el electrodo en cuestión se conecta al terminal positivo del electrómetro , mientras que el electrodo de hidrógeno estándar se conecta al terminal negativo.
Tabla de potencial de reducción estándar
Cuanto mayor sea el valor del potencial de reducción estándar, más fácil será reducir el elemento (ganancia de electrones ); en otras palabras, son mejores agentes oxidantes . Por ejemplo, F 2 tiene un potencial de reducción estándar de +2.87 V y Li + tiene −3.05 V:
El potencial de reducción estándar altamente positivo de F 2 significa que se reduce fácilmente y, por lo tanto, es un buen agente oxidante. Por el contrario, el potencial de reducción estándar muy negativo de Li + indica que no se reduce fácilmente. En cambio, Li ( s ) preferiría someterse a oxidación (por lo tanto, es un buen agente reductor ). Zn 2+ tiene un potencial de reducción estándar de −0,76 V y, por lo tanto, puede ser oxidado por cualquier otro electrodo cuyo potencial de reducción estándar sea mayor que −0,76 V (p. Ej., H + (0 V), Cu 2+ (0,34 V), F 2 (2,87 V)) y se puede reducir con cualquier electrodo con potencial de reducción estándar inferior a −0,76 V (por ejemplo, H 2 (−2,23 V), Na + (−2,71 V), Li + (−3,05 V)).
En una celda galvánica, donde una reacción redox espontánea impulsa a la celda a producir un potencial eléctrico, la energía libre de Gibbs Δ G ° debe ser negativa, de acuerdo con la siguiente ecuación:
- Δ G ° celda = - nFE ° celda
donde n es el número de moles de electrones por mol de productos y F es la constante de Faraday , ~ 96485 C / mol. Como tal, se aplican las siguientes reglas:
- Si la celda E ° > 0, entonces el proceso es espontáneo ( celda galvánica )
- Si la celda E ° <0, entonces el proceso no es espontáneo ( celda electrolítica )
Por lo tanto, para tener una reacción espontánea (ΔG ° <0), la celda E ° debe ser positiva, donde:
- "E ° celda = E ° cátodo - E ° ánodo
donde E ° ánodo es el potencial estándar en el ánodo y E ° cátodo es el potencial estándar en el cátodo como se indica en la tabla de potencial estándar de electrodo.
Ver también
Referencias
Otras lecturas
- Zumdahl, Steven S., Zumdahl, Susan A (2000) Chemistry (5ª ed.), Houghton Mifflin Company. ISBN 0-395-98583-8
- Atkins, Peter, Jones, Loretta (2005) Principios químicos (3ª ed.), WH Freeman and Company. ISBN 0-7167-5701-X
- Zu, Y, Couture, MM, Kolling, DR, Crofts, AR, Eltis, LD, Fee, JA, Hirst, J (2003) Biochemistry , 42, 12400-12408
- Shuttleworth, SJ (1820) Electroquímica (50ª ed.), Harper Collins.