La electroquímica es una ciencia compleja que tiene múltiples conceptos y ecuaciones que recordar. En este post, hemos reunido las 10 principales ecuaciones en electroquímica que se utilizan a diario en el laboratorio para que puedas utilizarlas como chuleta cuando las necesites.
Las 10 ecuaciones más importantes de la electroquímica
1. La ecuación de Nernst
Probablemente habrá adivinado que el Ecuación de Nernst entraría en la lista de las 10 ecuaciones más utilizadas en electroquímica. Y lo cierto es que probablemente sea la más utilizada en los laboratorios de todo el mundo a diario, ¡incluso por no electroquímicos!
Esta ecuación describe el potencial de una célula electroquímica en función del potencial de reducción y de la concentración de especies redox en una solución.
Tiene numerosas aplicaciones en energía, electrólisis y detección. Pero quizá sea más conocido por su aplicación en electrodos selectivos de iones, como el pH-metro.
Dónde:
E es el potencial celular en V,
E0 es el potencial estándar de la célula en V
R es la constante de los gases, 8,314 J/Kmol,
T es la temperatura en K,
n es el número de electrones que intervienen en la reacción
F es la constante de Faraday, 96485 C/mol
Q es el cociente de reacción, que describe la relación entre el producto de la reacción y los reactivos y es adimensional
2. La ecuación de Cottrell
La segunda ecuación en llegar a nuestro top 10 de ecuaciones en electroquímica es la Ecuación de Cottrell.
Hemos decidido darle la 2ª posición en nuestro top 10 por su versatilidad y uso habitual en experimentos. Especialmente con SPEs.
La ecuación de Cottrell describe el transitorio corriente-tiempo en experimentos potenciostáticos en lo que se conoce como "condiciones de agotamiento". Es decir, cuando la concentración de la molécula redox que se oxida o reduce decae como resultado de la reacción electroquímica.
Esta ecuación tiene múltiples aplicaciones en electrodeposición, pilas de combustible y biosensores.
Dónde:
i es la corriente en A,
n es el número de electrones en la reacción de reducción u oxidación del analito,
F es la constante de Faraday, 96485 C/mol,
A es el área del electrodo plano en cm2 ,
C0 es la concentración inicial del analito que se reduce u oxida,
D es el coeficiente de difusión del analito en cm2/s,
3. Ley de Faraday de la electrólisis
¿Alguna vez se ha preguntado cómo cuantificar la cantidad de material depositado o despojado durante una reacción de electrólisis? Puede hacerlo con Ley de Faraday de la electrólisis, nuestro número 3 en el top 10 de ecuaciones en electroquímica.
La Ley de Faraday de la electrólisis describe la relación entre la carga total pasada durante la electrólisis y la cantidad de masa depositada o disuelta durante la electrólisis.
Dónde:
m es la masa depositada o disuelta durante la electrólisis en g,
M es la masa atómica de la especie química depositada o disuelta en g/mol
Q es la carga eléctrica total pasada durante la electrólisis en C,
F es la constante de Faraday, 96485 C/mol,
y n es el número de electrones implicados en la reacción.
4. La ecuación de Tafel
La siguiente en nuestra lista de las 10 mejores ecuaciones en electroquímica es la Ecuación de Tafel.
La ecuación de Tafel es quizás la expresión más utilizada para describir la cinética electroquímica.
Aunque suele utilizarse en el estudio de la corrosión, también puede emplearse para estudiar la cinética de reacción de electrodos, pilas de combustible y baterías.
Dónde:
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 +/- en la ecuación describe si el análisis es un proceso anódico (+) o catódico (-).
5. Tasa de corrosión
Aunque existen varias formas de calcular los índices de corrosión, ninguna es más rápida que la cálculo de la velocidad de corrosión electroquímica. Por esta razón, esta ecuación está en nuestro top 5 de ecuaciones en electroquímica.
Los métodos tradicionales de medición de la corrosión, aunque precisos, pueden tardar desde semanas hasta años en obtener resultados. En cambio, con la electroquímica, pueden obtenerse en pocas horas o incluso minutos.
Los resultados de los estudios de corrosión electroquímica pueden convertirse en índices de corrosión con la ecuación siguiente:
Dónde:
i es la corriente de corrosión, que puede obtenerse a partir de la Ecuación de TafelEl Ecuación de Butler-Volmer o la ecuación de Stern-Geary,
M es la masa atómica en g/mol
n es el número de electrones de la reacción de corrosión
F es la constante de Faraday 96485 C/mol
ρ es la densidad del material corroído en g/cm3
y A es la superficie expuesta en cm2
6. Ecuación del espesor de la capa de difusión
La siguiente ecuación de nuestro top 10 de ecuaciones en electroquímica a menudo se pasa por alto durante el diseño experimental, pero sin duda puede ayudar a solucionar problemas cuando surgen: la ecuación del espesor de la capa de difusión.
El espesor de la capa de difusión es un parámetro físico crítico que influye en la cantidad total de moléculas que pueden oxidarse o reducirse. Como tal, es de suma importancia en la electrodeposición, la detección y el almacenamiento/generación de energía.
Se puede calcular de la siguiente manera:
donde:
l es el espesor de la capa de difusión en cm,
D es el coeficiente de difusión del analito/reactivo, en cm2/s
y t es el tiempo en s.
7. Ecuación de Randles-Sevcik
El número 7 de nuestra lista de las mejores ecuaciones en electroquímica es la Ecuación de Randles-Sevcik.
La ecuación de Randles-Sevcik describe el comportamiento de una reacción de reducción/oxidación en la potenciometría de barrido lineal. Explica la relación entre la corriente de pico, la superficie del electrodo, la concentración de la especie redox y la velocidad de barrido utilizada para recoger los datos.
Esta ecuación se ha utilizado para caracterizar materiales de electrodos, así como nuevas moléculas redox. Pero sus aplicaciones van más allá, y sin duda pueden ayudar en el desarrollo de dispositivos sensores y recubrimientos superficiales.
Dónde:
ip es la corriente de pico de la reacción redox en el voltamperograma en A
n es el número de electrones de la reacción
F es la constante de Faraday, 96485 C/mol
A es la superficie del electrodo de trabajo en cm2
C es la concentración de la especie redox en mol/cm3
v es la velocidad de barrido utilizada para recoger el voltamperograma en V/s
D es el coeficiente de difusión de la especie redox en cm2/s
R es la constante de los gases 8,3144 J/molK
y T es la temperatura en K
8. La ecuación de Anson
Aunque la mayoría no esté de acuerdo en que Ecuación de Anson en el top 10 de las ecuaciones en electroquímica debido a sus conexiones con la ecuación de Cottrell, pensamos que su aplicabilidad le otorga su merecido lugar.
La ecuación de Anson describe la relación entre carga y tiempo en experimentos en los que se aplica un potencial constante en condiciones de agotamiento.
La monitorización de los transitorios de carga-tiempo tiene una gran importancia en electrodeposición/electrostripping, almacenamiento electroquímico de energía y sensores, y se utiliza a diario en la industria.
donde:
Q es la carga en culombios,
n es el número de electrones implicados en la reacción de oxidación o reducción,
F es la constante de Faraday, 96485 C/mol,
A es el área del electrodo plano en cm2 ,
C es la concentración inicial del analito que se reduce u oxida, en mol/cm3,
D es el coeficiente de difusión del analito en cm2/s,
y t es el tiempo en segundos.
9. La ecuación de Butler-Volmer
En el puesto 9 de nuestro top 10 de ecuaciones en electroquímica tenemos la ecuación de Butler-Volmer.
Similar a la ecuación de Tafel, la ecuación de Butler-Volmer describe la relación entre la corriente que pasa por un electrodo y el potencial que se le aplica en experimentos electroquímicos. Sin embargo, esta última es una expresión más completa y, por tanto, aplicable a sistemas más complejos.
Aunque no es tan sencilla de utilizar como las anteriores descritas en esta lista, la ecuación de Butler-Volmer se utiliza principalmente en el modelado y análisis de baterías y corrosión.
Dónde:
i es la corriente que pasa por el electrodo en A,
i0 es la densidad de corriente de intercambio en A,
αf y αr son los coeficientes de transferencia directa (anódica) e inversa (catódica) en unidades adimensionales,
E es la diferencia de potencial a través del electrodo en V,
E0 es el potencial de equilibrio en V,
n es el número de electrones que intervienen en la reacción,
F es la constante de Faraday, 96485 C/mol,
R es la constante de los gases, 8,314 J/Kmol
y T es la temperatura en K.
10. La ecuación de Stern-Geary
Finalmente, en la última posición de nuestro top 10 de ecuaciones en electroquímica tenemos la Ecuación de Stern-Geary.
La ecuación de Stern-Geary, al igual que la ecuación de Tafel y la ecuación de Butler-Volmer, es un modelo para describir los procesos de corrosión utilizando un enfoque electroquímico. En este caso, sin embargo, describe la relación entre la corriente de corrosión de un sistema y la resistencia de polarización en lugar del potencial.
Dónde:
icorr es la corriente de corrosión en mA,
Rpol es la resistencia a la polarización en Ω,
βanódico es la pendiente anódica de Tafel en mV/década,
βcatódico es la pendiente Tafel catódica en mV/década
En resumen, éstas son las 10 ecuaciones más importantes de la electroquímica que todo electroquímico debería conocer. Aunque sin duda hay otras ecuaciones importantes en electroquímica, las que hemos incluido en el top 10 son las más utilizadas en el día a día.
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