Comprender la cinética de las reacciones electroquímicas es esencial para desarrollar aplicaciones para el mundo real. Además de la Ecuación de Butler-VolmerLa ecuación de Tafel es la expresión matemática más utilizada para estudiar la cinética electroquímica en una amplia gama de aplicaciones, desde la corrosión hasta las baterías. En este post explicamos en detalle qué es la ecuación de Tafel, cómo analizar datos con ella, cómo representarla con el gráfico de Tafel y sus aplicaciones.
¿Qué es la ecuación de Tafel?
La ecuación de Tafel es una expresión matemática que describe la relación entre la velocidad de reacción electroquímica y el sobrepotencial de un electrodo.
La ecuación de Tafel
La ecuación de Tafel se expresa del siguiente modo:
donde
η es el sobrepotencial en V,
A es la pendiente de Tafel en V,
i es la densidad de corriente en A/m2 ,
y i0 es la densidad de corriente de intercambio en A/m2 .
El signo +/- que aparece en la ecuación indica si el análisis se refiere a un proceso anódico (+) o catódico (-).
Supuestos de la ecuación de Tafel
La ecuación de Tafel es una ecuación simplificada basada en datos empíricos para describir la relación entre las velocidades de reacción y los sobrepotenciales en la superficie de un electrodo. Como tal, esta ecuación se desarrolló con ciertos supuestos que se enumeran a continuación:
- La reacción en el electrodo es una reacción que consiste en una única transferencia de electrones.
- La reacción en el electrodo es irreversible, por lo que la reacción inversa es inexistente o insignificante.
- La reacción sólo se controla mediante un proceso anódico o catódico, pero no ambos.
- El sobrepotencial aplicado es pequeño, de modo que la velocidad de reacción sigue una tendencia lineal con el sobrepotencial.
- La densidad de corriente de intercambio es constante en el rango de potencial de interés.
¿Quién es el autor de la ecuación de Tafel?
La ecuación de Tafel se atribuye al químico y electroquímico suizo Julius Tafel. Lo propuso por primera vez en 1905 para cuantificar la relación entre la velocidad a la que se producía una reacción electroquímica y el sobrepotencial experimentado por un electrodo.
Relación entre la ecuación de Tafel y la ecuación de Butler-Volmer
Tanto la ecuación de Tafel como la Ecuación de Butler-Volmer se utilizan para describir la cinética de la reacción electroquímica. La principal diferencia es que la ecuación de Tafel es una ecuación simplificada aplicable a situaciones en las que se utiliza un intervalo de potencial pequeño y sólo una de las reacciones es significativa, mientras que la ecuación de Butler-Volmer es más general y aplicable a una gama más amplia de reacciones electroquímicas.
Cómo realizar un análisis Tafel
Para el estudio de la cinética de reacciones electroquímicas con la ecuación de Tafel, es habitual utilizar una célula de 3 electrodos en la que el electrodo de trabajo está expuesto a un electrolito. Por ejemplo, una solución ácida o salina.
Con esta configuración, se realiza un barrido de potencial alrededor del potencial de circuito abierto de la célula. Esta medición produce la curva de polarización V vs i, que describe la relación entre la densidad de corriente y el sobrepotencial del electrodo de trabajo.
Una vez recogidos los datos, se genera un diagrama de Tafel y el gráfico resultante se analiza con la ecuación de Tafel.
El gráfico de Tafel
El diagrama de Tafel es un tipo específico de gráfico de curva de polarización en el que el potencial se representa frente al logaritmo de la corriente. Este tipo de gráfico se utiliza para representar visualmente la ecuación de Tafel y es el más común en los estudios de corrosión.
Cómo interpretar el gráfico de Tafel
La pendiente de Tafel
El diagrama de Tafel suele mostrar una relación lineal entre el logaritmo de la corriente y el sobrepotencial. La pendiente de la curva representada representa la pendiente de Tafel, que está relacionada con la energía de activación de la reacción. Por lo tanto, la pendiente indica la velocidad de reacción. Cuanto más pronunciada sea la pendiente, mayor será la energía de activación necesaria para que se produzca la reacción y más lenta será la velocidad de reacción.
El potencial de corrosión
El otro parámetro importante para interpretar un diagrama de Tafel es el potencial de corrosión. Este parámetro define el potencial donde las reacciones de oxidación y reducción están en equilibrio, es decir, donde no hay oxidación ni reducción netas.
Por encima del potencial de corrosión, el material del electrodo comenzará a oxidarse/corroerse. Por otro lado, si el potencial aplicado al electrodo está por debajo del potencial de corrosión, el material se reducirá y, por tanto, quedará protegido (también conocido como protección catódica). Por esta razón, es un parámetro crítico para determinar el comportamiento de corrosión de los materiales.
Como regla general, cuanto mayor es el potencial de corrosión, más resistente es el material a la corrosión en el electrolito ensayado. Sin embargo, su valor absoluto no es tan importante a la hora de comprobar la protección contra la corrosión. En cambio, para garantizar una buena protección contra la corrosión es importante que haya una gran diferencia entre el potencial de corrosión y el potencial de ruptura (es decir, el potencial al que el material empieza a corroerse rápidamente).
Aplicaciones de la ecuación de Tafel
Estudios de corrosión
La ecuación de Tafel es quizá más conocida por su aplicación en el estudio de la corrosión. Con ella es posible evaluar la eficacia de los inhibidores de corrosión, que son importantes en una amplia variedad de industrias como la electrónica de consumo y la construcción.
Estudio de la cinética de reacción del electrodo
La ecuación de Tafel permite a los electroquímicos cuantificar la cinética de las reacciones electroquímicas. Observando la pendiente de la ecuación de Tafel es posible determinar qué tipo de reacción se está produciendo:
- Reacción controlada por activación: en este caso el paso limitante es la transferencia de electrones a la superficie del electrodo. Este tipo de reacción tiene una pequeña pendiente de Tafel entre 30 y 120 mV/década. Un ejemplo de activación controlada sería la oxidación del hierro en medio ácido.
- Reacción controlada por difusión: en este caso el paso limitante es el transporte de especies químicas desde o hacia la superficie del electrodo. Este tipo de reacción tiene grandes pendientes de tafel, normalmente entre 120 y 240 mV/década. Un ejemplo de reacción controlada por difusión es la reducción de oxígeno a agua.
- Reacción de control mixto: en este caso tenemos una combinación de procesos de activación y difusión. Este tipo de reacción tiene una pendiente de Tafel intermedia entre 60 y 120 mV/década. Un ejemplo sería la oxidación de un metal en un electrolito con una baja concentración de oxígeno disuelto. En este caso, la oxidación del metal es una reacción controlada por activación que también está limitada por la cantidad de oxígeno disponible en el electrolito.
Pilas de combustible
La ecuación de Tafel se utiliza en la optimización de pilas de combustible. Durante los estudios de optimización, se adquieren datos voltamperométricos en diferentes condiciones de funcionamiento, como la temperatura, la presión o el caudal de gas. Analizando los datos resultantes con la ecuación de Tafel es posible estimar si la reacción está limitada por la transferencia de carga en el electrodo o por la difusión de reactivos a la superficie del electrodo. De este modo se obtienen datos sobre los factores que afectan al rendimiento de la pila de combustible.
Pilas
En las pilas, las reacciones electroquímicas implican el movimiento de iones cargados entre el ánodo y el cátodo. Como resultado de este movimiento de iones en el electrolito, los electrones pueden fluir a través de un circuito externo. La ecuación de Tafel puede utilizarse para estudiar cómo afectan a la cinética de la pila los distintos materiales utilizados en su ensamblaje, es decir, el cátodo, el ánodo, el electrolito y el separador. Así, los electroquímicos pueden conocer a fondo cómo afectan estos componentes al rendimiento global de la batería y optimizar su diseño.
Esperamos que haya disfrutado aprendiendo sobre la ecuación de Tafel y sobre cómo puede utilizarse para comprender en profundidad los sistemas electroquímicos utilizados en una amplia gama de aplicaciones del mundo real. Desde los recubrimientos protectores hasta las baterías, conocer esta ecuación es imprescindible para cualquier electroquímico. Si desea saber más sobre electroquímicapublicamos material interesante regularmente en nuestro blog. Asegúrese de comprobarlo.
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