Posgrado
  1. Química Física  1.1. Termodinámica  1.1.1. Leyes de la Termodinámica  1.1.2. Entalpía y capacidad calorífica  1.1.3. Entropía y energía libre  1.1.4. Equilibrio de Fase  1.1.5. Termodinámica estadística  1.1.6. Ciclo termodinámico  1.1.7. Fugacidad y actividad  1.2. Química Cuántica  1.2.1. Principios de la mecánica cuántica  1.2.2. Ecuación de Schrödinger  1.2.3. Partícula en una caja  1.2.4. Operadores y valores propios  1.2.5. Orbitales atómicos  1.2.6. Teoría de orbitales moleculares  1.2.7. Teoría de perturbaciones  1.2.8. Teoría del enlace de valencia  1.2.9. Hibridación y enlace químico  1.3. Cinética química  1.3.1. Leyes de velocidad y mecanismos de reacción  1.3.2. Teoría de colisiones  1.3.3. Teoría del estado de transición  1.3.4. Cinética Enzimática  1.3.5. Reacciones en cadena y polimerización  1.3.6. Reacciones fotoquímicas  1.4. Mecánica estadística  1.4.1. Función de partición  1.4.2. Funciones de distribución molecular  1.4.3. Distribución de Boltzmann  1.4.4. Estadísticas de Bose–Einstein y Fermi–Dirac  1.5. Espectroscopía  1.5.1. Espectroscopía Rotacional  1.5.2. Espectroscopia Vibracional  1.5.3. Espectroscopía Electrónica  1.5.4. Espectroscopia de resonancia magnética nuclear  1.5.5. Espectrometría de Masas  1.5.6. Espectroscopía Raman  1.5.7. Espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica  1.6. Química de superficies y coloides  1.6.1. Isoterma de absorción  1.6.2. Tensión superficial y mojado  1.6.3. Estabilidad Coloidal  1.6.4. Catalisis  1.6.5. Emulsiones y micelas  1.7. Electroquímica  1.7.1. Ecuación de Nernst  1.7.2. Células electroquímicas  1.7.3. Conductividad y movilidad  1.7.4. Guerra  1.7.5. Celdas de combustible  1.7.6. Electrólisis
  2. Química orgánica  2.1. Mecanismo de reacción  2.1.1. Reacciones de sustitución nucleofílica  2.1.2. Reacciones de adición electrofílica  2.1.3. Reacciones de eliminación  2.1.4. Reacciones de reordenamiento  2.1.5. Reacciones radicales  2.1.6. Reacciones pericíclicas  2.2. Espectroscopia y determinación estructural  2.2.1. Espectroscopía UV-Vis  2.2.2. Espectroscopia IR  2.2.3. Espectroscopía de RMN  2.2.4. Espectrometría de Masa  2.2.5. Cristalografía de rayos X  2.3. Estereoscópico  2.3.1. Quiralidad y actividad óptica  2.3.2. Análisis estructural  2.3.3. Isomería geométrica  2.3.4. Estereoquímica Dinámica  2.4. Química Organometálica  2.4.1. Reactivos de organolitio y organomagnesio  2.4.2. Reacciones de acoplamiento cruzado catalizadas por paladio  2.4.3. Complejos de metales de transición  2.4.4. Enlace metal-carbono  2.5. Química de polímeros  2.5.1. Mecanismo de polimerización  2.5.2. Características de los Polímeros  2.5.3. Polímero Biodegradable  2.5.4. Polímero conductor  2.5.5. Polímeros supramoleculares  2.6. Química medicinal  2.6.1. Diseño y desarrollo de fármacos  2.6.2. Farmacocinética y farmacodinámica  2.6.3. Relaciones estructura-actividad  2.6.4. Acoplamiento molecular y selección de fármacos
  3. Química inorgánica  3.1. Química de coordinación  3.1.1. Teoría del campo cristalino  3.1.2. Teoría del campo de ligandos  3.1.3. Serie espectroquímica  3.1.4. Quelación y estabilidad  3.2. Química Organometálica  3.2.1. Carbonilos Metálicos  3.2.2. Catalysis por complejos organometálicos  3.2.3. Metalocenos  3.3. Química bioinorgánica  3.3.1. Metaloproteínas y enzimas  3.3.2. El rol de los metales en los sistemas biológicos  3.3.3. Transporte y almacenamiento de iones metálicos  3.4. Química del estado sólido  3.4.1. Estructuras Cristalinas  3.4.2. Teoría de bandas de los sólidos  3.4.3. Superconductors  3.4.4. Defectos en el cristal  3.5. Lantánidos y Actínidos  3.5.1. Configuración electrónica en lantánidos y actínidos  3.5.2. Química de coordinación de los lantánidos  3.5.3. Propiedades Magnéticas de los Lantánidos
  4. Química analítica  4.1. Cromatografía  4.1.1. Cromatografía de Gases  4.1.2. Cromatografía Líquida de Alta Resolución  4.1.3. Cromatografía en Capa Fina  4.2. Técnicas Espectroscópicas  4.2.1. Espectroscopía de absorción atómica  4.2.2. Difracción de rayos X  4.2.3. Espectroscopía de plasma acoplado inductivamente  4.3. Métodos electroanalíticos  4.3.1. Potenciometría  4.3.2. Voltametría  4.3.3. Colometría  4.4. Espectrometría de masas  4.4.1. Técnica de Ionización  4.4.2. Patrón de Fragmentación  4.5. Chemometría  4.5.1. Análisis multidisciplinario  4.5.2. Aprendizaje Automático en Química
  5. Química Teórica y Computacional  5.1. Simulación de dinámica molecular  5.1.1. Force fields and energy minimization  5.1.2. Simulación de Monte Carlo en simulaciones de dinámica molecular  5.2. Métodos químicos cuánticos  5.2.1. Teoría de Hartree–Fock  5.2.2. Teoría del funcional de la densidad  5.2.3. Métodos semiempíricos  5.3. Diseño computacional de fármacos  5.3.1. Alineamiento Molecular  5.3.2. Modelado QSAR  5.3.3. Tamizaje Virtual
  6. Bioquímica  6.1. Enzyme Kinetics  6.1.1. Cinética de Michaelis-Menten  6.1.2. Mecanismo de inhibición  6.2. Metabolismo y Bioenergética  6.2.1. Glicólisis  6.2.2. Ciclo del ácido cítrico  6.2.3. Cadena de transporte de electrones  6.3. Biología Molecular  6.3.1. Replicación y reparación del ADN  6.3.2. La síntesis de proteínas  6.3.3. Regulación Génica  6.4. Bioquímica Estructural  6.4.1. Plegado de proteínas  6.4.2. Biofísica de Membranas
  7. Química Ambiental  7.1. Química Atmosférica  7.1.1. Gases de efecto invernadero  7.1.2. Agotamiento del ozono  7.1.3. Contaminantes del aire y humo  7.2. Química del Agua  7.2.1. pH y dureza del agua  7.2.2. Tratamiento de aguas residuales  7.2.3. Química Acuática  7.3. Química del Suelo  7.3.1. Contaminación por metales pesados  7.3.2. pH del Suelo y Amortiguación  7.3.3. Ciclo de nutrientes  7.4. Toxicología y Seguridad Química  7.4.1. Toxicocinética  7.4.2. Evaluación de Riesgos en Toxicología y Seguridad Química en Química Ambiental  7.4.3. Efectos de los contaminantes en el medio ambiente

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Células electroquímicas


Las células electroquímicas son dispositivos fundamentales en el campo de la electroquímica, que permiten convertir energía química en energía eléctrica y viceversa. Estas células son centrales en muchas aplicaciones de nuestra vida diaria, incluyendo baterías, pilas de combustible y una variedad de sensores. Esta descripción detallada profundizará en el funcionamiento interno de una célula electroquímica, sus tipos, componentes y aplicaciones, proporcionando ejemplos tanto textuales como visuales para ayudar a la comprensión.

Conceptos básicos

Reacciones químicas

Antes de aprender sobre células electroquímicas, es importante entender las reacciones químicas que las hacen funcionar. Las reacciones de oxidación-reducción (redox) ocurren en cualquier célula electroquímica. Estas implican la transferencia de electrones de una especie química a otra.

Oxidación y reducción

La oxidación es el proceso en el cual una sustancia pierde electrones. La reducción, por otro lado, es la ganancia de electrones. La sustancia que pierde electrones se llama oxidada, mientras que la que gana electrones se llama reducida. La especie que dona electrones se conoce como agente reductor, y la que acepta electrones se llama agente oxidante.

Reacciones redox

En una célula electroquímica, estas reacciones redox se dividen en dos semirreacciones que ocurren en regiones separadas de la célula, causando que los electrones fluyan a través de un circuito externo, produciendo electricidad.

Componentes de una célula electroquímica

Ahora que entendemos qué tipos de reacciones tienen lugar, profundicemos en la composición estructural de una célula electroquímica. Una célula electroquímica tiene dos componentes principales: el ánodo y el cátodo.

Ánodo

El ánodo es el electrodo donde ocurre la oxidación. Los electrones son liberados por la especie química en el ánodo, y estos electrones liberados viajan a través de un circuito externo hacia el cátodo.

Reacción: Oxidación en el ánodo
,
Zn (s) rightarrow Zn^{2+} (aq) + 2e^{-}
,

Cátodo

El cátodo es el sitio donde tiene lugar la reducción. Los electrones que llegan del circuito externo son aceptados por la especie química presente en el cátodo.

Reacción: Reducción en el cátodo
,
Cu^{2+} (aq) + 2e^{-} rightarrow Cu (s)
,

Nota: La notación abreviada estándar para una célula electroquímica es Zn|Zn^{2+}||Cu^{2+}|Cu, donde las líneas simples representan fronteras de fase y la doble línea representa un puente salino o unión entre las dos semiceldas.

Puente salino

El puente salino es un componente crucial en una célula electroquímica. Sirve para completar el circuito eléctrico y permitir el flujo de iones, evitando que las soluciones en las dos semiceldas se mezclen, mientras que también mantiene la neutralidad eléctrica al permitir el movimiento iónico.

Tipos de células electroquímicas

Células galvánicas (voltaicas)

Una célula galvánica, también conocida como célula voltaica, es una célula que convierte energía química en energía eléctrica a través de reacciones redox espontáneas. Es un tipo de célula utilizada en baterías que proporcionan electricidad para muchas aplicaciones.

Ejemplo: Célula de Daniel

Un ejemplo clásico de una célula galvánica es la célula de Daniell.

Ánodo (Zn) Cátodo (Cu) puente salino Reacciones de Electrodos: Zn (s) → Zn²⁺ (aq) + 2e⁻ Cu²⁺ (aq) + 2e⁻ → Cu (s)

En la célula de Daniell:

  • El ánodo está hecho de metal de zinc, que se oxida y libera electrones en el circuito externo.
  • El cátodo está hecho de cobre, y los iones de cobre presentes en la solución capturan estos electrones y se reducen.
  • Los iones de zinc entran en la solución, y el cobre se deposita en el electrodo de cobre.

Célula electrolítica

Las células electrolíticas utilizan energía eléctrica para impulsar reacciones químicas no espontáneas. Estas células son importantes en procesos como la electrólisis, donde los compuestos se descomponen en sus partes básicas mediante el paso de una corriente eléctrica.

Ejemplo: Electrólisis del agua

En una célula electrolítica, como una utilizada para la electrólisis del agua:

Cátodo (-) Ánodo (+) Solución de H₂O

En la electrólisis del agua:

  • El cátodo recibe electrones de la fuente eléctrica, lo que provoca que el agua se reduzca para formar gas de hidrógeno e iones hidróxido.
  • El ánodo acepta electrones del agua y la oxida, produciendo gas de oxígeno e iones de hidrógeno.
Reacciones:
,
text{Cátodo: } 2H_2O + 2e^- rightarrow H_2 + 2OH^-
,
,
text{Ánodo: } 2H_2O right arrow O_2 + 4H^+ + 4e^-
,

Aplicaciones de las células electroquímicas

Baterías

Las baterías son una aplicación esencial de las células electroquímicas. Alimentan innumerables dispositivos en nuestra vida cotidiana, desde pequeños dispositivos como teléfonos inteligentes hasta aplicaciones más grandes como vehículos eléctricos.

Pilas de combustible

Las pilas de combustible son otro tipo de célula electroquímica, que producen electricidad al mezclar hidrógeno y oxígeno sin combustión. Se elogian por su eficiencia y subproducto ambientalmente amigable: agua.

Prevención de corrosión

Las células electroquímicas también se pueden usar para proteger los metales de la corrosión, que es una reacción redox natural en la que los metales se deterioran cuando se exponen al medio ambiente. Técnicas como la protección catódica utilizan principios electroquímicos para prevenir esto.

Este análisis exhaustivo de la naturaleza, función y aplicaciones de las células electroquímicas destaca su prevalencia e importancia tanto en campos científicos como prácticos, y representa la conversión sin fisuras entre energías químicas y eléctricas que alimenta gran parte del mundo moderno.


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