Medición de FEM

Definición de CEM

CEMes la abreviatura de fuerza electromotriz. Aunque el nombre lleva fuerza , en realidad no es una fuerza, sino una forma de energía. Veamos la definición de CEM desde la perspectiva de la química.

¿Qué es el potencial de electrodo?

Para entender qué es, recapitulemos primero los procesos que ocurren en cada electrodo.

Fig. 1: Célula Daniel.

La imagen anterior representa una célula Daniel, un ejemplo de célula voltaica. Ya sabes por el artículo - Células electroquímicas, qué ocurre y cómo se genera la electricidad. Veamos los puntos principales para comprender el potencial del electrodo.

El zinc, sumergido en sulfato de zinc, es la semicelda anódica. Los átomos metálicos de zinc pierden electrones que atraviesan el alambre y llegan al cátodo, donde el ion de cobre del electrolito acepta esos electrones. Ésta es la reacción iónica neta.

Así, el zinc, al perder electrones, se oxida y se transforma en su catión (Zn^+2}). Se trata de una reacción de oxidación-mitad. (Estos cationes de zinc saltan al electrolito).

Cuando el zinc se oxida y se convierte en cationes de zinc, se produce una separación de carga entre el electrodo y el electrolito. Esta separación de carga da lugar a una diferencia de potencial de ese electrodo que se denomina potencial de electrodo único. Así, la tendencia de un electrodo a generar una diferencia de potencial entre sí mismo y el electrolito se denomina potencial de electrodo único de la semicelda( \(Zn\) en \(ZnSO_4\) ).

Del mismo modo, los iones de cobre (+2) se reducen a átomos de cobre (0), lo que constituye una semirreacción de reducción. (El cobre reducido se deposita ahora en el electrodo de cobre.) Esto dará lugar a una diferencia de potencial en esta semicélula catódica entre el electrodo y el electrolito.

En pocas palabras,

Este potencial de electrodo estándar es la emf de esa semicélula. La diferencia de los potenciales de electrodo de las semicélulas es la emf total de la célula, también llamada potencial de célula, E o \( \epsilon \)

La FEM, impulsora del flujo de electrones

Para que los electrones fluyan, debe haber alguna energía que los impulse hacia delante. La diferencia de potenciales de los electrodos -la Diferencia de potencial, o la emf total de la célula- hace que los electrones fluyan.

¿Cómo hace la emf que fluyan los electrones?

Los electrones contienen energía potencial. Al aumentar el número de electrones, aumenta la energía potencial total, por lo que la semicelda del ánodo se convierte en una región con una energía potencial (EP) elevada.^[2] Además, la acumulación de electrones provoca repulsiones y los electrones sólo quieren alejarse de allí. Mientras que, por otro lado, la región del cátodo carece de electrones y, por tanto, de energía potencial, por lo que el cátodo es una región con baja energía potencial^[2] .

Ahora bien, esta diferencia de potencial (alto frente a bajo) hace que los electrones se desplacen del ánodo (PE alto) al cátodo (PE bajo), igual que en una cascada, donde el agua de alta presión fluye hacia la región de baja presión. Este flujo de electrones genera electricidad, como se ha explicado en la introducción.

Esta diferencia de potencial es el factor impulsor del movimiento de los electrones y de la generación de electricidad. El CEM es la diferencia en las diferencias de potencial individuales (potenciales de electrodo/potenciales de reducción) de los dos electrodos. Igual que la diferencia de masas es de nuevo una masa y se mide en gramos, la diferencia de diferencias de potencial individuales es de nuevo una diferencia de potencial medida en voltios.

Por tanto, \(E_{Cátodo}- E_{Ánodo} \) nos da la emf de esa célula.

El viaje de los electrones en términos de potencial de reducción

Este concepto de energía potencial no debe confundirse con los potenciales de electrodo. El ánodo tiene un potencial de electrodo bajo -lo que significa un potencial de reducción bajo- y ésta es la razón por la que el metal del ánodo no quiere reducirse, sino que quiere oxidarse. Por lo tanto, quiere expulsar los electrones. Por otro lado, el cátodo tiene un potencial de electrodo alto-lo que significa un potencial de reducción alto-, por lo que atrapa los electrones entrantes.

Fig. 2: Representación de un ánodo y un cátodo.

Para expresar el viaje de los electrones en términos de potencial de reducción, podemos decir que en una célula galvánica, los electrones viajan desde una región de bajo potencial (Ánodo) a una de alto potencial (Cátodo)- [desde una región donde la tendencia a reducirse es baja a una región donde la tendencia a reducirse es alta].

Unidades de medida del CEM

La FEM se mide en voltios (la unidad del SI). En física, la emf también se describe como el trabajo realizado -medido en julios- para desplazar una carga unitaria -en culombios- de un punto a otro.

Así, Voltio, \ (V = \frac{W} {Q} \)

Donde

• W = Trabajo realizado = J
• Q = Carga unitaria = Culombio

$$V=\frac{J}{C}$$

El voltio también es la unidad del potencial de reducción estándar.

Dispositivos de medición de la emf

Para medir la emf se utilizan dos dispositivos: el potenciómetro y el voltímetro.

Normalmente, se prefiere el potenciómetro al voltímetro porque el potenciómetro no toma corriente del circuito para medir la emf, por lo que no perturba el circuito. En cambio, el voltímetro extrae corriente del circuito para medir la emf. Por lo tanto, el potenciómetro es más fiable y preciso que el voltímetro, pero, al mismo tiempo, es más caro que éste, lo que supone una desventaja.

Fig. 3: Foto de un voltímetro | Wikimedia Commons

Medición del CEM dorsal

El propio nombre nos da cierta información sobre este tipo de CEM. El CEM trasero o CEM posterior es aquella diferencia de potencial que actúa en contra de la tensión aplicada/EMF real, que puede definirse como:

El mejor ejemplo para explicar la retroemisión es una célula electrolítica con electrodos de platino sumergidos en una solución de ácido sulfúrico. Sabemos lo que ocurre en la electrólisis del agua acidificada. En el cátodo se forma hidrógeno gaseoso, mientras que en el ánodo se forma oxígeno gaseoso. Se aplica cierta tensión externa (EMF a través de una pila) para impulsar esta reacción, ya que no es espontánea.

Al cabo de un tiempo, la electrólisis se detiene debido a la adsorción de gases en la superficie de los electrodos. Esto provoca una contrafase, que cuando supera la tensión externa aplicada, hace que la electrólisis se detenga. Para superar este contraataque, debemos aumentar lentamente la tensión externa. Cuando esta emf externa vuelve a superar a la emf de retroceso, la electrólisis prosigue sin problemas.

Aplicaciones de la medición de la emf

Existen varias aplicaciones de la medición de la emf. Aquí te damos una lista de algunas aplicaciones significativas:

• La constante de equilibrio de una reacción semicelular puede determinarse midiendo la emf.
• La enegía libre de Gibb.
• Se puede determinar el producto de solubilidad de una sal poco soluble.
• Se puede determinar la valencia del número de electrones transferidos en una reacción semicelular.
• Energía libre.
• \Se puede evaluar la energía libre (p^H\) de una solución.
• Se puede determinarla espontaneidad de una reacción electroquímica. Si el potencial de la célula es positivo, se trata de una reacción espontánea (de la célula galvánica). Si el potencial de la célula es negativo, se trata de una reacción no espontánea (de la célula electrolítica).

Con esto concluye el tema de la medición de la emf. En este artículo hemos explicado qué es la emf y cómo es responsable del flujo de electrones y, a su vez, de la generación de electricidad. Ahora puede que hayas comprendido el concepto que hay detrás de las pilas que utilizas en tu vida cotidiana.