Tensión termoneutra

En electroquímica , un voltaje termoneutro es una caída de voltaje a través de una celda electroquímica que es suficiente no solo para impulsar la reacción de la celda, sino también para proporcionar el calor necesario para mantener una temperatura constante. Para una reacción de la forma

${\displaystyle Ox+ne^{-}\leftrightarrow Red}$

El voltaje termoneutro está dado por

${\displaystyle E_{tn}=-\Delta H/(nF)=(\Delta H_{Red}-\Delta H_{Ox})/(nF)}$

donde es el cambio de entalpía y F es la constante de Faraday . ${\displaystyle \Delta H}$

Explicación

Para una reacción celular caracterizada por la ecuación química:

${\displaystyle Ox+ne^{-}\leftrightarrow Red}$

A temperatura y presión constantes, el voltaje termodinámico (voltaje mínimo requerido para impulsar la reacción) viene dado por la ecuación de Nernst :

${\displaystyle E=-\Delta G/(nF)=(\Delta G_{Red}-\Delta G_{Ox})/(nF)}$

donde es la energía de Gibbs y F es la constante de Faraday . El voltaje termodinámico estándar (es decir, a temperatura y presión estándar) viene dado por: ${\displaystyle \Delta G}$

${\displaystyle E^{o}=-\Delta G^{o}/(nF)=(\Delta G_{Red}^{o}-\Delta G_{Ox}^{o})/(nF)}$

y la ecuación de Nernst se puede utilizar para calcular el potencial estándar en otras condiciones.

La reacción de la célula es generalmente endotérmica : es decir, extraerá calor de su entorno. ^{[ cita necesaria ]} El cálculo de energía de Gibbs generalmente supone un depósito térmico infinito para mantener una temperatura constante, pero en un caso práctico, la reacción enfriará la interfaz del electrodo y ralentizará la reacción que ocurre allí.

Si el voltaje de la celda aumenta por encima del voltaje termodinámico, el producto de ese voltaje y la corriente generará calor, y si el voltaje es tal que el calor generado coincide con el calor requerido por la reacción para mantener una temperatura constante, ese voltaje se llama la "tensión termoneutra". La tasa de entrega de calor es igual a donde T es la temperatura (la temperatura estándar, en este caso) y dS/dt es la tasa de producción de entropía en la celda. En el voltaje termoneutral, esta tasa será cero, lo que indica que el voltaje termoneutral se puede calcular a partir de la entalpía . ^[1] ${\displaystyle TdS/dt}$

${\displaystyle E_{tn}=-(\Delta G+T\Delta S)/(nF)=-\Delta H/(nF)=(\Delta H_{Red}-\Delta H_{Ox})/(nF)}$

Un ejemplo

Para agua a temperatura estándar (25 C), la reacción celular neta se puede escribir:

${\displaystyle H_{2}O\leftrightarrow H_{2}(g)+{\frac {1}{2}}O_{2}(g)}$

Usando potenciales de Gibbs ( kJ/mol), ^{[2] [3]} el voltaje termodinámico en condiciones estándar es ${\displaystyle \Delta G_{H2O}^{o}=-237.18}$

${\displaystyle E^{o}=-\Delta G_{H_{2}O}^{o}/(2F)\approx }$1,229 voltios (se necesitan 2 electrones para formar H ₂ (g))

Así como la combustión de hidrógeno y oxígeno genera calor, la reacción inversa que genera hidrógeno y oxígeno absorberá calor. El voltaje termoneutral es (usando kJ/mol): ^{[2] [3]} ${\displaystyle \Delta H_{H2O}^{o}=-285.83}$

${\displaystyle E_{tn}^{o}=-\Delta H_{H_{2}O}^{o}/(2F)\approx }$1,481 voltios.

Referencias

1. Harrison, K.; Remick, R.; Hoskin, A.; Martín, G. (2010). "Producción de hidrógeno: fundamentos y resúmenes de estudios de casos (preimpresión)" (PDF) . Consultado el 9 de febrero de 2020 .
2. Dean, John A. (1979). Manual de química de Lange (PDF) (11 ed.). Nueva York: McGraw-Hill.
3. Lide, David R. (2003). Manual de la CDN (PDF) (84 ed.). Boca Ratón: CRC Press.