En electroquímica , un voltaje termoneutral 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
El voltaje termoneutral viene dado por
dónde es el cambio de entalpía y F es la constante de Faraday .
Explicación
Para una reacción celular caracterizada por la ecuación química:
a temperatura y presión constantes, el voltaje termodinámico (voltaje mínimo requerido para impulsar la reacción) viene dado por la ecuación de Nernst :
dónde 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:
y la ecuación de Nernst se puede utilizar para calcular el potencial estándar en otras condiciones.
La reacción celular es generalmente endotérmica : es decir, extraerá calor de su entorno. [ cita requerida ] El cálculo de energía de Gibbs generalmente asume 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 el "voltaje termoneutral". La tasa de suministro de calor es igual adonde 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]
Un ejemplo
Para agua a temperatura estándar (25 C), la reacción de la celda neta se puede escribir:
Usando potenciales de Gibbs (kJ / mol), [2] [3] el voltaje termodinámico en condiciones estándar es
- 1.229 voltios (2 electrones necesarios 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 (usandokJ / mol): [2] [3]
- 1,481 voltios.
Referencias
- ^ Harrison, K .; Remick, R .; Hoskin, A .; Martín, G. (2010). "Producción de hidrógeno: fundamentos y resúmenes de estudios de caso (preimpresión)" (PDF) . Consultado el 9 de febrero de 2020 .
- ^ a b Dean, John A. (1979). Manual de química de Lange (PDF) (11 ed.). Nueva York: McGraw-Hill.
- ^ a b Lide, David R. (2003). Manual de la CRC (PDF) (84 ed.). Boca Ratón: CRC Press.