Fundamentos de Electroquímica: Reacciones Redox, Electrólisis y Leyes de Faraday

Introducción a la Electroquímica

La electroquímica es la rama de la química que estudia la relación entre la electricidad y las reacciones químicas. Se enfoca en procesos donde ocurren transferencias de electrones, es decir, reacciones de óxido-reducción (redox). Estas reacciones pueden ser utilizadas para generar energía eléctrica (como en las celdas galvánicas) o bien inducidas mediante una corriente externa (como en la electrólisis).

Reacciones Redox

Las reacciones redox implican la transferencia de electrones entre especies químicas. Se dividen en:

• Oxidación: pérdida de electrones.
• Reducción: ganancia de electrones.

En un sistema electroquímico, la oxidación ocurre en el ánodo y la reducción en el cátodo.

Celdas Electrolíticas y Celdas Galvánicas

• Celda galvánica (voltaica): convierte energía química en energía eléctrica mediante una reacción redox espontánea.

• Celda electrolítica: requiere una fuente externa de energía eléctrica para inducir una reacción redox no espontánea. La Celda de Hoffmann utilizada en esta práctica es una celda electrolítica.

Electrólisis

La electrólisis es el proceso mediante el cual se descompone un compuesto químico aplicando una corriente eléctrica. En la Celda de Hoffmann se realiza la electrólisis del agua, separándola en oxígeno (O₂) y hidrógeno (H₂):

2H₂O(l) → 2H₂(g) + O₂(g)

Esta reacción requiere energía y ocurre en presencia de un electrolito (como ácido sulfúrico) que mejora la conductividad.

Leyes de Faraday

Faraday formuló dos leyes que permiten cuantificar la relación entre la electricidad y la cantidad de sustancia liberada o consumida en una electrólisis:

• Primera Ley de Faraday: La masa de sustancia depositada en un electrodo es directamente proporcional a la cantidad de electricidad que pasa por la celda.

  m = (Q ⋅ M) / (n ⋅ F)

  Donde:

  • m = masa de sustancia
  • Q = carga eléctrica (en culombios)
  • M = masa molar
  • n = número de electrones intercambiados
  • F = constante de Faraday (aprox. 96485 C/mol)

• Segunda Ley de Faraday: Masas de diferentes sustancias liberadas por la misma cantidad de electricidad son proporcionales a sus equivalentes químicos.

Estas leyes permiten calcular el número de Avogadro experimentalmente, relacionando la cantidad de gas producido con la cantidad de carga aplicada.

Potencial Estándar de Electrodo

Es la medida del potencial de un electrodo cuando se encuentra en condiciones estándar (1 M, 1 atm, 25°C). Se utiliza como referencia para predecir el sentido de las reacciones redox. En la electrólisis del agua, las reacciones son:

• Ánodo (oxidación): 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
• Cátodo (reducción): 2H⁺ + 2e⁻ → H₂

Fuerza Electromotriz de una Celda (FEM)

La FEM es la diferencia de potencial entre los electrodos de una celda electroquímica. Indica la capacidad de la celda para producir o requerir corriente eléctrica. En una celda electrolítica, se aplica una FEM mayor que la suma de los potenciales de oxidación y reducción para forzar la reacción.

Ecuación de Nernst

Permite calcular el potencial de un electrodo en condiciones no estándar:

E = E° - (0.0591 / n) log Q

Donde:

• E = potencial en condiciones actuales
• E° = potencial estándar
• n = número de electrones transferidos
• Q = cociente de reacción

En esta práctica, aunque las condiciones pueden no ser estándar, se puede usar esta ecuación para ajustar los cálculos del potencial si es necesario.