Principios Fundamentales de Electroquímica y Equilibrio Químico
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Potencial Estándar del Electrodo
El Electrodo Normal de Hidrógeno (ENH) es un electrodo de gas que utiliza un hilo de platino y se representa como: Pt(s)/H₂(g, 1 atm)/H⁺(aq, 1 M). Mediante la medida de la diferencia de potencial entre el par redox del Electrodo Normal de Hidrógeno y el par a estudiar, se construye la tabla de potenciales (conocida como serie electromotriz o serie electroquímica). En esta serie, los elementos con potencial negativo son reductores, mientras que los elementos con potencial positivo son oxidantes.
Energía y Trabajo de una Pila Voltaica
Cuando una reacción transcurre en una pila voltaica, la célula realiza un trabajo eléctrico. La cantidad de energía disponible (trabajo) que puede obtenerse de un proceso es igual a -ΔG (cambio de energía libre de Gibbs). La relación se expresa como: ΔG = -nFEcelda, donde n es el número de moles de electrones transferidos, F es la constante de Faraday, y Ecelda es el potencial de la celda.
Ecuación de Nernst
La Ecuación de Nernst es fundamental para evaluar el potencial de una celda cuando las condiciones de concentración o presión no son las estándar. Por ejemplo, para recuperar la plata de un baño fotográfico: si insertamos un trozo de cobre metálico, este se oxidará y aparecerán cristales de plata metálica adheridos.
Principio del Equilibrio Químico
El equilibrio químico es aquel sistema en el que dos procesos opuestos tienen lugar a velocidades iguales (reacción directa e inversa). Es una reacción que nunca llega a completarse porque se produce en ambos sentidos simultáneamente (los reactivos forman productos y viceversa).
Características del Equilibrio Químico
- Una consecuencia es que las cantidades de reactivos y productos sean constantes con el tiempo.
- Depende de las cantidades de reactivos y productos presentes.
- Nunca se consume por completo ninguna de las especies reaccionantes.
La dirección del desplazamiento del equilibrio se rige por la comparación entre el cociente de reacción (Qc) y la constante de equilibrio (Kc):
- Si Qc < Kc, la reacción se desplaza hacia la derecha (formación de productos).
- Si Qc > Kc, la reacción se desplaza hacia la izquierda (formación de reactivos).
- Si Qc = Kc, el sistema está en equilibrio.
Principio de Le Châtelier
El Principio de Le Châtelier establece que si un sistema químico en equilibrio experimenta un cambio en las condiciones de concentración, temperatura o presión parcial, el equilibrio se desplazará en la dirección que contrarreste el cambio impuesto, buscando una nueva situación de equilibrio.
Efecto de la Concentración
Si se disminuye la concentración de una especie, el equilibrio se desplaza hacia el lado de la ecuación que ha sido afectado para reponerla.
Efecto de la Temperatura
Si la temperatura disminuye, el equilibrio se desplaza en el sentido de la reacción exotérmica (liberación de calor). Si la temperatura aumenta, se desplaza en el sentido de la reacción endotérmica (absorción de calor) para contrarrestar el calor aplicado.
Efecto de la Presión
Un aumento de la presión total (o una disminución del volumen) en un sistema gaseoso en equilibrio produce que el sistema se desplace hacia el lado de la ecuación que produce menor cantidad de moles gaseosos.
Catalizadores en Reacciones Químicas
Los catalizadores son sustancias que tienen un efecto significativo sobre la velocidad de las reacciones químicas.
Impacto en el Equilibrio Químico
Sin embargo, su efecto en los equilibrios químicos es nulo. Esto se debe a que los catalizadores aceleran la reacción en ambos sentidos (directo e inverso) por igual, y por lo tanto, no modifican la cantidad de reactivos y productos en el equilibrio. Su función principal es la sustitución del mecanismo de una reacción por otro con una energía de activación menor, lo que permite que la reacción alcance el equilibrio más rápidamente. Es crucial entender que un catalizador no modifica la posición de un equilibrio en una reacción reversible; la situación de equilibrio es independiente del mecanismo de reacción.