Saltar al contenido

20.5: Energía de Gibbs y reacciones redox

                 

Objetivos de aprendizaje

 

         

  • Comprender la relación entre el potencial celular y la constante de equilibrio.
  •      

  • Usar potenciales celulares para calcular las concentraciones de la solución.
  •  

 

 

Los cambios en las condiciones de reacción pueden tener un efecto tremendo en el curso de una reacción redox. Por ejemplo, en condiciones estándar, la reacción de Co (s) con Ni 2 + (aq) para formar Ni (s) y Co 2 [19459010 ] + (aq) ocurre espontáneamente, pero si reducimos la concentración de Ni 2 + en un factor de 100, de modo que [Ni 2 + ] es 0.01 M, entonces la reacción inversa ocurre espontáneamente en su lugar. La relación entre voltaje y concentración es uno de los factores que deben entenderse para predecir si una reacción será espontánea.

 

La relación entre el potencial celular y la energía libre

 

Las células electroquímicas convierten la energía química en energía eléctrica y viceversa. La cantidad total de energía producida por una celda electroquímica y, por lo tanto, la cantidad de energía disponible para realizar trabajos eléctricos, depende tanto del potencial celular como del número total de electrones que se transfieren del reductor al oxidante durante el curso de una reacción. . La corriente eléctrica resultante se mide en coulombs (C) , una unidad SI que mide el número de electrones que pasan un punto dado en 1 s. Un culombio relaciona la energía (en julios) con el potencial eléctrico (en voltios). La corriente eléctrica se mide en amperios (A) ; 1 A se define como el flujo de 1 C / s más allá de un punto dado (1 C = 1 A · s):

 

[ dfrac { textrm {1 J}} { textrm {1 V}} = textrm {1 C} = mathrm {A cdot s} label {20.5.1} ] [19459012 ]

 

En las reacciones químicas, sin embargo, necesitamos relacionar el culombio con la carga en un mol de electrones. Multiplicar la carga en el electrón por el número de Avogadro nos da la carga en 1 mol de electrones, que se llama faraday (F) , llamado así por el físico y químico inglés Michael Faraday (1791-1867): [ 19459012]

 

[ begin {align} F & = (1.60218 times10 ^ {- 19} textrm {C}) left ( dfrac {6.02214 times10 ^ {23}} { textrm {1 mol e} ^ -} right)
\ & = 9.64855 times10 ^ 4 textrm {C / mol e} ^ – simeq 96,486 / ( mathrm {V cdot mol ; e ^ -}) end { alinear} label {20.5.2} ]

 

La carga total transferida del reductor al oxidante es, por lo tanto, nF, donde n es el número de moles de electrones.

 

Michael Faraday (1791-1867)

 

Faraday fue un físico y químico británico que fue posiblemente uno de los más grandes científicos experimentales de la historia. Hijo de un herrero, Faraday era autodidacta y se convirtió en aprendiz de encuadernador a los 14 años antes de dedicarse a la ciencia. Sus experimentos en electricidad y magnetismo hicieron de la electricidad una herramienta de rutina en la ciencia y lo condujeron tanto al motor eléctrico como al generador eléctrico. Descubrió el fenómeno de la electrólisis y sentó las bases de la electroquímica. De hecho, la mayoría de los términos especializados presentados en este capítulo (electrodo, ánodo, cátodo, etc.) se deben a Faraday. Además, descubrió el benceno e inventó el sistema de números de estado de oxidación que usamos hoy. Faraday es probablemente mejor conocido por “La historia química de una vela”, una serie de conferencias públicas sobre la química y la física de las llamas.

 

 

La cantidad máxima de trabajo que puede producir una celda electroquímica ( (w_ {max} )) es igual al producto del potencial celular ( (E ^ ° _ {cell} )) y carga total transferida durante la reacción (nF):

 

[w_ {max} = nFE_ {cell} label {20.5.3} ]

 

El trabajo se expresa como un número negativo porque un sistema (una célula electroquímica con un potencial positivo) está haciendo trabajo en su entorno.

 

El cambio en la energía libre ( ( Delta {G} )) también es una medida de la cantidad máxima de trabajo que se puede realizar durante un proceso químico ( (ΔG = w_ {max} )). En consecuencia, debe haber una relación entre el potencial de una celda electroquímica y ( Delta {G} ); esta relación es la siguiente:

 

[ Delta {G} = −nFE_ {cell} label {20.5.4} ]

 

Por lo tanto, una reacción redox espontánea se caracteriza por un valor negativo de ( Delta {G} ) y un valor positivo de (E ^ ° _ {cell} ), consistente con nuestras discusiones anteriores. Cuando tanto los reactivos como los productos están en sus estados estándar, la relación entre ΔG ° y (E ^ ° _ {cell} ) es la siguiente:

 

[ Delta {G ^ °} = −nFE ^ ° _ {cell} label {20.5.5} ]

 

Una reacción redox espontánea se caracteriza por un valor negativo de ΔG °, que corresponde a un valor positivo de la célula E ° .

 

Ejemplo ( PageIndex {1} )

 

Suponga que desea preparar bromo elemental a partir de bromuro utilizando el ion dicromato como oxidante. Usando los datos en Tabla P2 , calcule el cambio de energía libre (ΔG °) para esta reacción redox en condiciones estándar. ¿Es la reacción espontánea?

 

Dado: reacción redox

 

Preguntado por: (ΔG ^ o ) por la reacción y la espontaneidad

 

Estrategia:

 

         

  1. A partir de las medias reacciones relevantes y los valores correspondientes de (E ^ o ), escriba la reacción general y calcule (E ^ ° _ {cell} ).
  2.      

  3. Determine el número de electrones transferidos en la reacción general. Luego use la ecuación ( ref {20.5.5} ) para calcular (ΔG ^ o ). Si (ΔG ^ o ) es negativo, entonces la reacción es espontánea.
  4.  

 

Solución:

 

A Como siempre, el primer paso es escribir las medias reacciones relevantes y usarlas para obtener la reacción general y la magnitud de (E ^ o ). De Tabla P2 , podemos encontrar las semirreacciones de reducción y oxidación y los valores de E ° correspondientes:

 

[ begin {align *}
& textrm {cathode:} & quad & mathrm {Cr_2O_7 ^ {2 -} (aq)} + mathrm {14H ^ + (aq)} + mathrm {6e ^ -} rightarrow mathrm {2Cr ^ {3 +} (aq)} + mathrm {7H_2O (l)}
& quad & E ^ circ _ { textrm {cathode}} = textrm {1.23 V} \
& textrm {anode:} & quad & mathrm {2Br ^ {-} (aq)} rightarrow mathrm {Br_2 (aq)} + mathrm {2e ^ -}
& quad & E ^ circ _ { textrm {anode}} = textrm {1.09 V}
end {align *} ]

 

Para obtener la ecuación química equilibrada general, debemos multiplicar ambos lados de la semirreacción de oxidación por 3 para obtener el mismo número de electrones que en la semirreacción de reducción, recordando que la magnitud de E ° no se ve afectada:

 

[ begin {align *}
& textrm {cathode:} & quad & mathrm {Cr_2O_7 ^ {2 -} (aq)} + mathrm {14H ^ + (aq)} + mathrm {6e ^ -} rightarrow mathrm {2Cr ^ {3 +} (aq)} + mathrm {7H_2O (l)}
& quad & E ^ circ _ { textrm {cathode}} = textrm {1.23 V} \
& textrm {anode:} & quad & mathrm {6Br ^ {-} (aq)} rightarrow mathrm {3Br_2 (aq)} + mathrm {6e ^ -}
& quad & E ^ circ _ { textrm {anode}} = textrm {1.09 V} \
& textrm {general:} & quad & mathrm {Cr_2O_7 ^ {2 -} (aq)} + mathrm {6Br ^ {-} (aq)} + mathrm {14H ^ + (aq)} rightarrow mathrm {2Cr ^ {3 +} (aq)} + mathrm {3Br_2 (aq)} + mathrm {7H_2O (l)}
& quad & E ^ circ _ { textrm {cell}} = textrm {0.14 V}
end {align *} ] [ 19459012]

 

B Ahora podemos calcular ΔG ° usando la ecuación ( ref {20.5.5} ). Como se transfieren seis electrones en la reacción global, el valor de (n ) es 6:

 

[ begin {align *} Delta G ^ circ & = – (n) (F) (E ^ circ _ { textrm {cell}}) \ [4pt] & = – ( textrm {6 moles}) [96,468 ; mathrm {J / (V cdot mol}) ( textrm {0.14 V})] \ & = -8.1 times10 ^ 4 textrm {J} \ & = – 81 ; mathrm {kJ / mol ; Cr_2O_7 ^ {2-}} end {align *} ]

 

Así (ΔG ^ o ) es −81 kJ para la reacción tal como está escrita, y la reacción es espontánea.

 

 

Ejercicio ( PageIndex {1} )

 

Utilice los datos en Tabla P2 para calcular (ΔG ^ o ) para la reducción de iones férricos por yoduro:

 

[ ce {2Fe ^ {3 +} (aq) + 2I ^ {-} (aq) → 2Fe ^ {2 +} (aq) + I2 (s)} nonumber ]

 

¿Es la reacción espontánea?

 

     

Respuesta

     

     

−44 kJ / mol I 2 ; sí

     

 

 

 

Potenciales para las sumas de medias reacciones

 

Aunque la Tabla P2 enumera varias semirreacciones, se conocen muchas más. Cuando el potencial estándar para una semirreacción no está disponible, podemos usar las relaciones entre los potenciales estándar y la energía libre para obtener el potencial de cualquier otra semirreacción que pueda escribirse como la suma de dos o más semirreacciones cuyos potenciales estándar están disponibles. Por ejemplo, el potencial para la reducción de Fe 3 + (aq) a Fe (s) no se enumera en la tabla, pero se dan dos reducciones relacionadas:

 

[ ce {Fe ^ {3 +} (aq) + e ^ {-} -> Fe ^ {2 +} (aq)} ; ; ; E ^ ° = +0.77 V label {20.5.6} nonumber ]

 

[ ce {Fe ^ {2 +} (aq) + 2e ^ {-} -> Fe (aq)} ; ; ; E ^ ° = −0.45 V label {20.5.7} nonumber ]

 

Aunque la suma de estas dos semirreacciones da la semirreacción deseada, no podemos simplemente agregar los potenciales de dos semirreacciones reductoras para obtener el potencial de una tercera semirreacción reductora porque E ° no es una función de estado . Sin embargo, debido a que ΔG ° es una función de estado, la suma de los valores de ΔG ° para las reacciones individuales nos da ΔG ° para la reacción general, que es proporcional al potencial y al número de electrones ( (n )) transferidos . Para obtener el valor de E ° para la semirreacción general, primero debemos agregar los valores de ΔG ° (= −nFE °) para cada semirreacción individual para obtener ΔG ° para la semirreacción general:

 

[ begin {align *} mathrm {Fe ^ {3 +} (aq)} + mathrm {e ^ -} rightarrow mathrm {Fe ^ {2 +} (aq)} hspace { 3mm} Delta G ^ circ & = – (1) (F) ( textrm {0.77 V}) \
mathrm {Fe ^ {2 +} (aq)} + mathrm {2e ^ – } rightarrow mathrm {Fe (s)} hspace {3mm} Delta G ^ circ & = – (2) (F) (- textrm {0.45 V}) \
mathrm {Fe ^ {3 +} (aq)} + mathrm {3e ^ -} rightarrow mathrm {Fe (s)} hspace {3mm} Delta G ^ circ & = [- (1) (F) ( textrm {0.77 V})] + [- (2) (F) (- textrm {0.45 V})] end {align *} label {20.5.8} ]

 

Resolviendo la última expresión para ΔG ° para la media reacción general,

 

[ Delta {G ^ °} = F [(- 0.77 V) + (−2) (- 0.45 V)] = F (0.13 V) etiqueta {20.5.9} nonumber ] [19459012 ]

 

Se transfieren tres electrones (n = 3) en la reacción general, por lo que al sustituir en la ecuación ( ref {20.5.5} ) y resolver E ° se obtiene lo siguiente:

 

[ begin {align *} Delta G ^ circ & = -nFE ^ circ _ { textrm {cell}} \
F ( textrm {0.13 V}) & = – (3 ) (F) (E ^ circ _ { textrm {cell}}) \
E ^ circ & = – dfrac {0.13 textrm {V}} {3} = – 0.043 textrm {V} end {align *} ]

 

Este valor de E ° es muy diferente del valor que se obtiene simplemente agregando los potenciales para las dos medias reacciones (0,32 V) e incluso tiene el signo opuesto.

 

 

No se pueden agregar valores de E ° para semirreacciones para dar E ° para la suma de las semirreacciones; solo se pueden agregar valores de ΔG ° = −nFE ° celda para semirreacciones.

 

 

La relación entre el potencial celular y la constante de equilibrio

 

Podemos usar la relación entre ( Delta {G ^ °} ) y la constante de equilibrio (K ), para obtener una relación entre (E ^ ° _ {cell} ) y (K ). Recuerde que para una reacción general del tipo (aA + bB rightarrow cC + dD ), el cambio estándar de energía libre y la constante de equilibrio están relacionados por la siguiente ecuación:

 

[ Delta {G °} = −RT ln K label {20.5.10} ]

 

Dada la relación entre el cambio estándar de energía libre y el potencial celular estándar (Ecuación ( ref {20.5.5} )), podemos escribir

 

[- nFE ^ ° _ {cell} = −RT ln K label {20.5.12} ]

 

Reordenando esta ecuación,

 

[E ^ circ _ { textrm {cell}} = left ( dfrac {RT} {nF} right) ln K label {20.5.12B} ]

 

Para T = 298 K, la ecuación ( ref {20.5.12} ) se puede simplificar de la siguiente manera:

 

[ begin {align} E ^ circ _ { textrm {cell}} & = left ( dfrac {RT} {nF} right) ln K \ [4pt] & = left [ dfrac {[8.314 ; mathrm {J / (mol cdot K}) ( textrm {298 K})]} {n [96,486 ; mathrm {J / (V cdot mol)}]} derecha] 2.303 log K \ [4pt] & = left ( dfrac { textrm {0.0591 V}} {n} right) log K label {20.5.13} end {align} ] [ 19459012]

 

Por lo tanto, (E ^ ° _ {cell} ) es directamente proporcional al logaritmo de la constante de equilibrio. Esto significa que las constantes de equilibrio grandes corresponden a valores positivos grandes de (E ^ ° _ {cell} ) y viceversa.

 

Ejemplo ( PageIndex {2} )

 

Utilice los datos en Tabla P2 para calcular la constante de equilibrio para la reacción del plomo metálico con PbO 2 en presencia de iones sulfato para dar PbSO 4 [19459022 ] en condiciones estándar. (Esta reacción ocurre cuando la batería de un automóvil está descargada). Informe su respuesta a dos cifras significativas.

 

Dado: reacción redox

 

Preguntado por: (K )

 

Estrategia:

 

         

  1. Escribe las medias reacciones y potenciales relevantes. De estos, obtenga la reacción general y (E ^ o_ {cell} ).
  2.      

  3. Determine el número de electrones transferidos en la reacción general. Use la ecuación ( ref {20.5.13} ) para resolver ( log K ) y luego (K ).
  4.  

 

Solución:

 

A Las medias reacciones y potenciales relevantes de Tabla P2 son ​​los siguientes:

 

[ begin {align *} & textrm {cathode:}
& & mathrm {PbO_2 (s)} + mathrm {SO_4 ^ {2 -} (aq)} + mathrm {4H ^ + (aq)} + mathrm {2e ^ -} rightarrow mathrm {PbSO_4 (s)} + mathrm {2H_2O (l)}
& & E ^ circ_ textrm {cathode} = textrm {1.69 V} \
& textrm {anode:}
& & mathrm {Pb (s)} + mathrm {SO_4 ^ {2 -} (aq)} rightarrow mathrm {PbSO_4 ( s)} + mathrm {2e ^ -}
& & E ^ circ_ textrm {anode} = – textrm {0.36 V} \
& textrm {global:}
& & mathrm {Pb (s)} + mathrm {PbO_2 (s)} + mathrm {2SO_4 ^ {2 -} (aq)} + mathrm {4H ^ + (aq)} rightarrow mathrm {2PbSO_4 (s )} + mathrm {2H_2O (l)}
& & E ^ circ_ textrm {cell} = textrm {2.05 V} end {align *} ]

 

B Se transfieren dos electrones en la reacción global, entonces (n = 2 ). Resolviendo la ecuación ( ref {20.5.13} ) para el registro K e insertando los valores de (n ) y (E ^ o ),

 

[ begin {align *} log K & = dfrac {nE ^ circ} { textrm {0.0591 V}} = dfrac {2 ( textrm {2.05 V})} { textrm { 0.0591 V}} = 69.37 \
K & = 2.3 times10 ^ {69} end {align *} ]

 

Por lo tanto, el equilibrio se encuentra muy a la derecha, favoreciendo una batería descargada (como lo sabrá cualquiera que haya intentado sin éxito arrancar un automóvil después de dejarlo reposar durante mucho tiempo).

 

 

Ejercicio ( PageIndex {3} )

 

Utilice los datos en Tabla P2 para calcular la constante de equilibrio para la reacción de ( ce {Sn ^ {2 +} (aq)} ) con oxígeno a producir ( ce {Sn ^ {4 +} (aq)} ) y agua en condiciones estándar. Informe su respuesta a dos cifras significativas. La reacción es la siguiente:

 

[ ce {2Sn ^ {2 +} (aq) + O2 (g) + 4H ^ {+} (aq) <=> 2Sn ^ {4 +} (aq) + 2H2O (l)} no número ]

 

     

Respuesta

     

     

(1,2 veces 10 ^ {73} )

     

 

 

 

La Figura ( PageIndex {1} ) resume las relaciones que hemos desarrollado en función de las propiedades del sistema, es decir, de la constante de equilibrio, el cambio estándar de energía libre y el potencial celular estándar, y los criterios para espontaneidad (ΔG ° <0). Desafortunadamente, estos criterios se aplican solo a los sistemas en los que todos los reactivos y productos están presentes en sus estados estándar, una situación que rara vez se encuentra en el mundo real. Una relación más generalmente útil entre el potencial celular y las concentraciones de reactivo y producto, como estamos a punto de ver, utiliza la relación entre ( Delta {G} ) y el cociente de reacción (Q ).

 

19.10.jpg
 
Figura ( PageIndex {1} ): Las relaciones entre los criterios para la espontaneidad termodinámica. Las tres propiedades de un sistema que se pueden usar para predecir la espontaneidad de una reacción redox en condiciones estándar son las células K, ΔG ° y E ° . Si conocemos el valor de una de estas cantidades, entonces estas relaciones nos permiten calcular el valor de las otras dos. Los signos de las células ΔG ° y E ° y la magnitud de K determinan la dirección de la reacción espontánea en condiciones estándar. (CC BY-NC-SA; Anónimo por solicitud)
 

 

Resumen

 

Un coulomb (C) relaciona el potencial eléctrico, expresado en voltios, y la energía, expresada en julios. La corriente generada a partir de una reacción redox se mide en amperios (A), donde 1 A se define como el flujo de 1 C / s más allá de un punto dado. El faraday (F) es el número de Avogadro multiplicado por la carga en un electrón y corresponde a la carga en 1 mol de electrones. El producto del potencial celular y la carga total es la cantidad máxima de energía disponible para hacer el trabajo, que está relacionada con el cambio en la energía libre que ocurre durante el proceso químico. Al sumar los valores de ΔG para las semirreacciones, se obtiene ΔG para la reacción general, que es proporcional al potencial y al número de electrones (n) transferidos. Las reacciones redox espontáneas tienen un ΔG negativo y, por lo tanto, una célula E positiva . Debido a que la constante de equilibrio K está relacionada con ΔG, la célula E ° y K también están relacionadas. Grandes constantes de equilibrio corresponden a grandes valores positivos de E °.