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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Conductividad y movilidad


La electroquímica extiende su relevancia a muchos campos, incluida la química física, la ciencia de materiales y la ingeniería química. Una comprensión detallada de la conductividad y la movilidad forma la columna vertebral de las aplicaciones electroquímicas, desde las tecnologías de baterías hasta los sistemas biológicos. En esta exposición exploraremos los conceptos fundamentales de la conductividad iónica y la movilidad, las fórmulas matemáticas asociadas, ejemplos ilustrativos y sus aplicaciones en el mundo real.

Comprender la conductividad

La conductividad, en un sentido amplio, se refiere a la capacidad de una sustancia para conducir una corriente eléctrica. En electroquímica, nos enfocamos particularmente en la conductividad iónica, que se ocupa del movimiento de partículas cargadas, típicamente iones, a través de un medio. La conductividad ((sigma)) se define como el inverso de la resistividad ((rho)). Por lo tanto, se puede representar matemáticamente como:

(sigma = frac{1}{rho})

En este contexto, la resistividad es la propiedad intrínseca de un medio que impide el flujo de corriente eléctrica.

Formulación matemática de la conductividad

La conductividad se ve afectada tanto por la concentración de las especies cargadas como por su movilidad. La representación más simple para la conductividad de una solución electrolítica está dada por la ley de Kohlrausch para un electrolito:

(sigma = c cdot |z| cdot F cdot (u_+ + u_-))

Donde:

  • c = concentración de iones (mol/L)
  • |z| = valor absoluto de la carga de los iones
  • F = constante de Faraday (96500 C/mol)
  • u_+, u_-) = movilidad iónica de cationes y aniones respectivamente (m2/V s)

Descubrimiento de la movilidad iónica

La movilidad iónica (u) se refiere a la rapidez con la que un ion se mueve en una solución bajo un campo eléctrico. Es una medida de la velocidad adquirida por un ion por unidad de campo eléctrico. La movilidad representa la respuesta de los iones al campo eléctrico aplicado:

(u = frac{v}{E})

Donde:

  • v = velocidad de deriva del ion (m/s)
  • E = intensidad del campo eléctrico (V/m)

Factores que afectan la movilidad iónica

  • Tamaño del ion: Los iones más grandes tienen menor movilidad porque experimentan una atracción mayor del solvente. Por ejemplo, compare la movilidad de Na + y K +. Típicamente, K + tendrá una movilidad ligeramente menor porque es un poco más grande que Na +.
  • Viscosidad del solvente: Un solvente con alta viscosidad ofrece mayor resistencia al movimiento de los iones, reduciendo su movilidad.
  • Temperatura: Generalmente, el aumento de temperatura incrementa la movilidad de los iones porque disminuye la viscosidad del solvente.
  • Intensidad del campo eléctrico: Un campo eléctrico fuerte aumenta las fuerzas actuando sobre los iones, aumentando así su velocidad.

Relación entre conductividad y movilidad

La conductividad y la movilidad están interrelacionadas a través de la concentración de iones. Mayor movilidad significa una mayor contribución a la conductividad porque los iones en movimiento más rápido amplifican significativamente el proceso de conducción. Las movilidades iónicas individuales contribuyen a la conductividad total:

(sigma = sum_{i}^{} c_i cdot |z_i| cdot F cdot u_i)

Aquí, c_i denota la concentración del ion i, z_i denota su carga y u_i denota su movilidad.

Cálculo de ejemplo

Considere una solución acuosa de cloruro de sodio (NaCl). La concentración de la solución es 0.1 mol/L. Las movilidades iónicas se calculan u_{Na^+} = 5.19 times 10^{-8} text{ m}^2/text{V}cdottext{s} y u_{Cl^-} = 7.91 times 10^{-8} text{ m}^2/text{V}cdottext{s} usando la fórmula:

(sigma = c cdot F cdot (u_{Na^+} + u_{Cl^-}) = 0.1 cdot 96500 cdot (5.19 times 10^{-8} + 7.91 times 10^{-8}))

El cálculo anterior da la conductividad (sigma approx 1.26 , text{S/m}), lo que demuestra una fuerte capacidad de conducción de corriente.

Aplicaciones en escenarios del mundo real

Comprender y controlar la conductividad y la movilidad en los sistemas electroquímicos tiene muchas aplicaciones, incluyendo:

Baterías

En la tecnología de baterías, la conductividad del electrolito es un factor clave que determina la eficiencia y la potencia de salida de la batería. Los electrolitos no acuosos utilizados en baterías de iones de litio se eligen específicamente por su alta movilidad iónica, lo que permite una operación eficiente incluso a bajas temperaturas.

Celdas de combustible

Las celdas de combustible dependen en gran medida de la conducción iónica a través de membranas, lo que hace que las consideraciones de conductividad y movilidad iónica sean importantes. Por ejemplo, las celdas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEM) se centran específicamente en la movilidad de protones dentro de la membrana para garantizar una eficiente gestión del agua y conversión de energía.

Sistemas biológicos

La movilidad iónica y la conductividad también son fundamentales en una variedad de procesos biológicos, incluida la transmisión de impulsos nerviosos y la contracción muscular, que dependen del rápido movimiento de iones como sodio (Na +), potasio (K +) y calcio (Ca 2+).

Visualización de la conductividad y la movilidad

Para aclarar este concepto, considere un ejemplo simple:

Iones moviéndose en un campo eléctrico

En el diagrama anterior, los círculos representan iones moviéndose a través del medio. La velocidad de los iones (conductividad) y su respuesta instantánea al campo eléctrico (movilidad) se representan conceptualmente por flechas direccionales.

Conclusión

La compleja danza de los iones bajo la influencia de un campo eléctrico – encarnada por la conductividad y la movilidad – juega un papel clave en muchas aplicaciones cruciales para la tecnología moderna y los procesos naturales. Una comprensión profunda de estos parámetros sirve como base para diseñar y optimizar dispositivos y sistemas electroquímicos en una amplia gama de industrias. A medida que continuamos explorando nuevos materiales e innovadoras aplicaciones, los conceptos de movilidad iónica y conductividad seguirán estando a la vanguardia del avance tecnológico.


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