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Cinética electroquímica

Categoria: formulae.app / Química / Electroquímica / Cinética electroquímica

Descripción:

La cinética electroquímica es una rama de la electroquímica que se centra en el estudio de las velocidades de reacción en sistemas electroquímicos. Esta área de investigación es fundamental para comprender la rapidez con la que ocurren las reacciones electroquímicas y cómo se ven influenciadas por diferentes factores.

En los sistemas electroquímicos, las reacciones químicas están acopladas a la transferencia de electrones. La cinética electroquímica se ocupa de analizar y describir los mecanismos de reacción, las etapas de transferencia de carga y los fenómenos de difusión y transporte de especies electroactivas.

Uno de los conceptos clave en la cinética electroquímica es la corriente eléctrica, que es la medida del flujo de carga eléctrica a través de un electrodo. La velocidad de una reacción electroquímica se relaciona directamente con la corriente eléctrica generada durante la reacción.

Existen diversas técnicas experimentales utilizadas en la cinética electroquímica para medir y analizar las velocidades de reacción, como la voltamperometría, la espectroscopía de impedancia electroquímica y la cronocoulometría, entre otras. Estas técnicas permiten obtener información sobre los mecanismos de reacción, los coeficientes de transferencia de carga y las constantes de velocidad de las reacciones electroquímicas.

La cinética electroquímica también se ve influenciada por factores como la temperatura, la concentración de las especies reactivas, la superficie del electrodo y la presencia de catalizadores. Estos factores pueden acelerar o inhibir las reacciones electroquímicas y son de gran importancia en la optimización y diseño de sistemas electroquímicos.

Formulas:

Ley de Faraday: cambio electroquímico ∝ carga implicada

$$N=\frac{Q}{nF}$$


Densidad de corriente

$$i=I/A_e$$


Velocidad de reacción

$$\frac{N}{A_e \cdot t}=\frac{|i|}{nF}$$


Velocidades específicas directa e inversa

$$k_D=A_D exp \frac{- \Delta G^*_D}{RT}$$

$$k_I=A_I exp \frac{- \Delta G^*_I}{RT}$$

$$k_D=A_D exp \frac{- \Delta G^*_{0D}}{RT} \cdot exp \left( - \frac{(1-\alpha)nFE}{RT}\right)= k_{oD} exp \left( - \frac{(1-\alpha)nFE}{RT}\right)$$

$$k_I=A_I exp \frac{- \Delta G^*_{0I}}{RT} \cdot exp \left( - \frac{\alpha nFE}{RT}\right)= k_{oI} exp \left( - \frac{\alpha nFE}{RT}\right)$$


Constante cinética estándar

$$k_o= k_{oD} exp \left( - \frac{(1-\alpha)nFE^o_{eq}}{RT}\right)= k_{oI} exp \left( - \frac{\alpha nFE^o_{eq}}{RT}\right)$$


Relación r/E

$$i=i_I-i_D=nF[k_I[Red]_{sup}-k_D[Ox]_{sup}]$$


Densidad de corriente de intercambio

$$i_o=nFk_oc^{\alpha}_{ox}c^{1-\alpha}_{red}$$


Ecuación cinética de Butler-Volmer

$$i=i_o \left[ exp \left( \frac{\alpha nF}{RT} \eta\right)- exp \left( \frac{(1-\alpha)nF}{RT} \eta \right)\right]$$


Aproximación lineal

$$i=i_o \frac{nF}{RT} \eta$$


Aproximación de Tafel

$$ln |i| = ln |i_o|-\frac{(1-\alpha)nF}{RT}\eta \:\:\:\: \eta \ll 0$$

$$ln |i| = ln |i_o|+\frac{\alpha nF}{RT}\eta \:\:\:\: \eta \gg 0$$


Densidad de corriente límite

$$i_L = nF \cdot k_m \cdot C_{ox}$$

$$C_{ox|l}= \left( 1- \frac{i}{i_L}\right) \cdot C_{ox}$$

$$C_{red|l}= \left( 1- \frac{i}{i_L}\right) \cdot C_{red}$$


Notación:

α = coeficiente de transferencia de materia

ae = área específica del electrodo

Ae = área del electrodo

c = concentración

cA = concentración de A en el seno del fluido

δ = espesor de la capa de difusión de Nerst

η = sobretensión electroqúımica. η := E − Eeq

E◦ = potencial estándar de reducción

E = campo eléctrico

e = carga del electrón: e = 1,602176 · 10−19C

φ = potencial

F = constante de Faraday = 96485,309 C/mol

hj = entalpía específica de la especie j

K = constante termodinámica de equilibrio

L = 1. Conductancia, 2. Longitud

M = peso molecular

VJ = coeficiente estequiométrico de la especie j

n = número de electrones implicados

i = densidad de corriente

iO = densidad de corriente de intercambio

iL = densidad de corriente límite

I = intensidad de corriente límite

IL = intensidad de corriente límite

k = conductividad de la disolución

kD,kI = constantes cinéticas directa e inversa

ko = constante cinética estándar

λo = conductividad iónica molar

λj = conductividad iónica molar de especie j

Λm = conductividad molar. Λm = κ/c

L = conductancia

Qv = Caudal volumétrico

Q* = calor intercambiado a través de las paredes

t = número de transferencia o número de transporte

t+,t_ = número de transporte de los cationes/aniones

tc = tiempo crítico

u = movilidad iónica.

u' = movilidad iónica absoluta

S = Sección del reactor

z = carga (en unidades e)

?P1 = algo referido al producto P1

?k = referido al componente clave

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