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Fuerza electromotriz química

1890
  • Walther Nernst
  • Josiah Willard Gibbs
Pruebas de baterías de iones de litio en laboratorio de electroquímica.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

En celdas electroquímicas como baterías y pilas de combustible, CEM se genera mediante reacciones químicas. La separación de carga es impulsada por reacciones de oxidación y reducción que ocurren en dos electrodos diferentes. La fuerza electromotriz máxima de una celda está relacionada con el cambio en la energía libre de Gibbs ([latex]Delta G[/latex]) de la reacción mediante [latex]mathcal{E} = -frac{Delta G}{nF}[/latex], donde [latex]n[/latex] son ​​los moles de electrones y [latex]F[/latex] es la constante de Faraday.

El fuerza electromotriz in a chemical source arises from the potential energy difference of electrons in different chemical species. In a galvanic cell, two dissimilar metals (electrodes) are placed in an electrolyte, creating two half-cells. At one electrode (the anode), an oxidation reaction occurs, releasing electrons. At the other electrode (the cathode), a reduction reaction occurs, consuming electrons. This creates an electrical potential difference between the electrodes. The chemical reactions effectively act as a “charge pump,” doing work on the electrons to move them from a lower potential energy state to a higher one, thus establishing the EMF.

The theoretical maximum EMF is determined by the thermodynamics of the reaction, specifically the change in Gibbs free energy ([latex]\Delta G[/latex]), which represents the maximum non-expansion work that can be extracted from a thermodynamically closed system. The Nernst equation further refines this by relating the EMF to the standard electrode potential and the concentrations (or activities) of the reactants and products, showing how the cell’s voltage changes as the reaction proceeds and concentrations vary. This thermodynamic basis is fundamental to designing batteries with specific voltage outputs and energy densities, and for understanding processes like electrolysis, where an external EMF is used to drive a non-spontaneous chemical reaction.

UNESCO Nomenclature: 2203
Electroquímica

Tipo

Proceso químico

Ruptura

Revolucionario

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Los experimentos de Luigi Galvani con patas de rana
  • La invención de Alessandro Volta del pila voltaica
  • Michael Faraday’s laws of electrólisis
  • El desarrollo de la termodinámica química por Josiah Willard Gibbs

Aplicaciones

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • solid-state batteries using ceramic electrolytes for enhanced safety and energy density
  • Baterías de flujo para almacenamiento a escala de red utilizando reactivos químicos líquidos
  • Pilas de combustible biocompatibles que funcionan con glucosa procedente de fluidos corporales.
  • Células fotoelectroquímicas que utilizan la luz solar para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno.
  • Baterías con electrodos autorreparables para prolongar drásticamente la vida útil del ciclo
  • Baterías de metal-aire con densidades de energía teóricas extremadamente altas
  • printed, flexible batteries for wearable electrónica
  • baterías estructurales integradas en el chasis de vehículos o aeronaves
Related to: electrochemistry, battery, galvanic cell, Gibbs free energy, Nernst equation, electrode, electrolyte, redox reaction.

Contexto histórico

Fuerza electromotriz química

1885
1887
1889
1890
1890
1895
1895
1884
1887
1888
1889
1890
1890
1895
1895

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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