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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Celdas de combustible


Las celdas de combustible son dispositivos electroquímicos que convierten energía química de un combustible en electricidad mediante la reacción electroquímica de hidrógeno y oxígeno. A diferencia de los motores de combustión convencionales, que queman combustible para producir calor que impulsa un proceso mecánico, las celdas de combustible generan electricidad directamente a través del movimiento de electrones.

Principios básicos de las celdas de combustible

Las celdas de combustible funcionan como las baterías, pero no se agotan ni necesitan recargarse. Mientras haya un suministro constante de combustible y oxidante, una celda de combustible puede producir electricidad. Los componentes principales de una celda de combustible son el ánodo, cátodo y electrolito. Las celdas de combustible también requieren un combustible, generalmente hidrógeno, y un oxidante, generalmente oxígeno.

Reacciones electroquímicas en las celdas de combustible

Se introduce gas hidrógeno en el ánodo y se oxida en protones y electrones:

2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻

Los electrones pasan a través de un circuito externo, produciendo electricidad. Al mismo tiempo, el gas oxígeno en el cátodo se combina con estos electrones y protones para formar agua:

O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O

Ecuación química general

En una celda de combustible de hidrógeno, se produce agua al combinarse oxígeno e hidrógeno en la reacción global:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

La estructura de las celdas de combustible

Los componentes principales y sus funciones son las siguientes:

  • Ánodo: Donde el combustible (hidrógeno) se oxida y se liberan electrones.
  • Cátodo: Donde el oxígeno se reduce y los electrones y protones se combinan para formar agua.
  • Electrolito: Conduce iones, pero no electrones, entre el ánodo y el cátodo, y completa internamente el circuito.

Tipos de celdas de combustible

Las celdas de combustible se clasifican según el tipo de electrolito que utilizan, lo que determina sus aplicaciones y temperaturas de funcionamiento.

Celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM)

Estos dispositivos operan a temperaturas relativamente bajas y tienen densidades de potencia muy altas, lo que los hace adecuados para vehículos y dispositivos portátiles. Las celdas de combustible PEM utilizan una membrana de polímero sólido como electrolito.

Celdas de combustible de óxido sólido (SOFC)

Operan a temperaturas muy altas (800°C a 1000°C), lo que les permite utilizar una variedad de combustibles. Su eficiencia es muy alta y pueden producir electricidad y calor simultáneamente.

Celda de combustible alcalina (AFC)

Estas fueron uno de los primeros tipos desarrollados y se utilizaron en las misiones espaciales Apolo. Utilizan un electrolito alcalino como una solución de hidróxido de potasio.

Celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC)

Estas son celdas de combustible de temperatura media que utilizan ácido fosfórico líquido como electrolito. Se utilizan para generación de energía estacionaria.

Aplicaciones de las celdas de combustible

Las celdas de combustible pueden utilizarse en una variedad de aplicaciones, incluyendo:

  • Transporte: Los coches, autobuses e incluso carretillas elevadoras pueden funcionar con celdas de combustible.
  • Generación de energía estacionaria: Las celdas de combustible pueden proporcionar energía primaria o de respaldo para edificios e instalaciones industriales.
  • Energía portátil: Las celdas de combustible pueden alimentar dispositivos electrónicos portátiles y servir como cargadores.

Ventajas de las celdas de combustible

Las celdas de combustible ofrecen varias ventajas sobre las fuentes de energía convencionales:

  • Alta eficiencia: Las celdas de combustible pueden convertir una alta proporción de la energía química del combustible directamente en electricidad.
  • Amigables con el medio ambiente: Tienen bajas emisiones y al usar hidrógeno, el único subproducto es agua.
  • Escalabilidad: Las celdas de combustible pueden utilizarse en dispositivos de mano pequeños o en plantas de energía a gran escala.
  • Funcionamiento silencioso: A diferencia de los motores de combustión, las celdas de combustible funcionan silenciosamente.

Desafíos de las celdas de combustible

A pesar de sus ventajas, las celdas de combustible enfrentan desafíos:

  • Costo: El costo de los materiales, especialmente del catalizador, puede hacer que las celdas de combustible sean caras.
  • Durabilidad: Por ejemplo, las celdas de combustible PEM pueden degradarse a altas temperaturas y presiones de funcionamiento.
  • Suministro de combustible: Establecer una infraestructura de suministro de hidrógeno completa es un desafío.

El futuro de las celdas de combustible

El futuro de las celdas de combustible es prometedor, especialmente con la investigación en curso para superar los desafíos existentes. Los avances en ciencia de materiales tienen como objetivo reducir el costo de las celdas de combustible y mejorar su eficiencia y durabilidad. Del mismo modo, se están realizando esfuerzos para desarrollar una infraestructura eficiente de suministro de hidrógeno.

Conclusión

Las celdas de combustible representan un avance tecnológico importante en la electroquímica. Al proporcionar una forma más limpia y eficiente de generar electricidad, ofrecen un camino para reducir la dependencia de los combustibles fósiles y minimizar el impacto ambiental. A medida que la investigación y la tecnología continúan desarrollándose, las celdas de combustible podrían convertirse en una parte más prominente del paisaje energético global.

Ejemplo visual de función de la celda de combustible

Ánodo Cátodo Electrolito Flujo de H₊ y e⁻ Agua y calor

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