Potencial Celular

Significado del potencial celular

Si colocas una bola en la cima de una colina empinada, ¿qué ocurrirá? Bueno, si la pelota se coloca en un lugar plano, puede que se quede ahí, esperando a que alguna fuerza la empuje para poder rodar colina abajo. Al rodar colina abajo, generará energía cinética (la energía del movimiento) y acelerará colina abajo. Pero antes de empezar a rodar, poseerá energía potencial, una especie de energía almacenada. En la parte superior, tiene una gran cantidad de potencial y en la parte inferior, tiene una baja cantidad de potencial para rodar.

Este concepto de energía potencial se observa en todos los aspectos de la naturaleza, pero más concretamente en las células electroquímicas. Si tenemos una configuración de Células Galvánicas y Electrolíticas, cada célula contendrá dos especies diferentes: una especie oxidante y una especie reductora.

Al poner estas dos células juntas, una intentará dar electrones a la otra. Puedes imaginar esto como un flujo de electrones, o como energía cinética. Considerando nuestra analogía anterior, imagina que una célula química está en la cima de la colina y otra en la base. La célula más alta intenta empujar los electrones (la bola) hacia la célula de abajo, donde hay una energía potencial más baja.

La diferencia de energía entre estas dos semicélulas se denomina diferencia de potencial. Cuando consideramos las células galvánicas (también llamadas voltaicas), tenemos en cuenta una propiedad llamada potencial celular.

Por tanto, un potencial de célula alto significa que un electrodo quiere transferir electrones al otro. Si se permite, se producirá esta reacción, y observarás un flujo de electrones. Pero, ¿qué ocurre en la otra dirección? ¿Puedes hacer rodar la bola colina arriba? Todo es posible mediante el uso de la Electrólisis, pero es importante saber si una reacción se producirá espontáneamente o no.

Medición del potencial celular

Es importante comentar brevemente cómo se realiza la medición del potencial celular. A estas alturas ya sabes que se mide en voltios, pero ¿cómo se hace? Pues con un voltímetro, ¡por supuesto! Aquí se muestra una célula electroquímica típica.

Fig. 1 - Los electrones que se mueven del ánodo (potencial alto) al cátodo (potencial bajo) generan carga eléctrica, que se representa como el potencial de la célula.

Como es típico en las células electroquímicas, el ánodo enviará electrones al cátodo, lo que generará corriente. En condiciones estándar, el valor del potencial de una célula es muy predecible. A lo largo del último siglo, muchos científicos han determinado el potencial estándar de célula de numerosas reacciones redox. Esto significa que, si conectamos dos semicélulas cualesquiera, sabemos si reaccionarán o no.

Espera, ¿qué queremos decir con "si reaccionarán o no"? Recuerda que una célula sólo genera corriente si existe una diferencia de potencial, lo que significa que el ánodo debe tener un potencial superior al del cátodo. Así que, esencialmente, si las conectamos de forma incorrecta, no habrá flujo de electrones.

Esto ocurre siempre con las Células Galvánicas y Electrolíticas. Una célula galvánica (voltaica) es aquella en la que los electrones pasan de una diferencia de potencial alta a una baja. O, en otras palabras, una célula que alberga una reacción espontánea.

La dirección opuesta también es posible gracias al poder de la electricidad. Una célula electrolítica es aquella que funciona a potenciales de célula negativos aplicando un voltaje.

Ecuación del potencial celular

Cada reacción de reducción (media célula) tiene su propio valor de potencial. Es decir, puedes elegir las dos células que quieras y determinar cuánto potencial de célula, _E°célula, se necesita para alimentar la reacción. Esto se hace mediante la ecuación del potencial celular.

Un valor positivo significa que la reacción es espontánea y se producirá por sí sola. Un potencial negativo significa que necesitamos aumentar el voltaje para compensar el resto. Llegados a este punto, hemos hablado mucho de utilizar los potenciales de media celda para calcular si una reacción funcionará, así que practiquemos un poco.

Supongamos que hemos elegido el zinc y el cobre como los dos electrodos con los que queremos reaccionar. Queremos averiguar si, al combinarse, tendrán un potencial de célula positivo. Lo que hacemos primero es consultar una tabla de semirreacciones de reducción. Se trata de una tabla que puedes encontrar en cualquier libro de texto de química que trate sobre electroquímica. Aquí tienes una versión simplificada de una:

Incluso en esta pequeña versión simplificada de una tabla de reducción, hay mucha información. Lo primero que hay que destacar es que todas las reacciones se escriben como reducciones. Observa que en todas las reacciones, los reactantes ganan electrones y se reducen. Lo segundo es que cada reducción tiene su propio valor E°.

Y lo tercero es que los valores van en orden de positivo a negativo. Esto se denomina potencial de reducción de cada célula. Cuanto mayor sea el potencial de media celda, más fuerte será el agente oxidante. A la inversa, cuanto más bajo sea el valor (más negativo), más fuerte será el agente reductor. En otras palabras, el potencial más positivo de la semicélula intentará tomar electrones, y el valor más negativo intentará dar electrones.

Bien, volvamos a nuestro ejemplo del zinc y el cobre. Ahora que tenemos nuestros potenciales de media celda, podemos introducir una ecuación para determinar el potencial global de la celda.

$$ E^{circ}_{célula} = E^{circ}_{cátodo} - E^{circ}_{ánodo} $$

Bien, ¿cómo sabemos qué semicelda será el cátodo y cuál el ánodo? Bien, ha llegado el momento de combinar todo lo que acabamos de aprender.

Así, sabemos que el ánodo intentará enviar electrones al cátodo, ya que los electrones fluirán cuesta abajo (¿recuerdas la analogía de la pelota?). También sabemos que una semicélula de potencial más positivo tomará electrones de la célula más negativa. Hagamos del zinc nuestro ánodo, y del cobre nuestro cátodo.

\&E^{circ}_{célula} = E^{circ}_{cátodo} - E^{circ}_{ánodo} \\&E^{circ}{célula} = E^{circ}_{Zn^{2+}/Zn} - E^{circ}_{Cu^{2+}/Cu}&E^{circ}{célula} = 0,34~V - (-0,76~V)&E^{circ}{célula} = 1,10~V\end{align}

¿Qué significa esto? Pues que el potencial global de nuestra célula es un valor positivo, ¡lo que significa que se trata de una reacción espontánea! Pero, para asegurarnos, probemos a ponerlo al revés para ver qué ocurre.

\&E^{circ}_{célula} = E^{circ}_{cátodo} - E^{circ}_{ánodo} \\&E^{circ}_celda} = E^{circ}_{Cu^{2+}/Cu } - E^{circ}_{Zn^{2+}/Zn } \&E^{circ}_{cel} = -0,76~V - (0,34~V) \&E^{circ}_{cel} = -1,10~V\end{align}

Como es un valor negativo, sabemos que no funcionará, igual que sabemos que el agua no fluye cuesta arriba, y que esa roca nunca llegará a la cima de la montaña. No a menos que utilicemos una fuente de energía externa y la subamos con un cohete.

Conversión del potencial celular en energía libre de Gibbs y equilibrio

El potencial celular también puede utilizarse para ayudar a determinar el cambio de Energía Libre de Gibbs de un sistema e incluso la posición de Equilibrio en un sistema. Para una derivación detallada de la conversión del potencial celular en energía libre de Gibbs y equilibrio, no dejes de consultar Potencial celular y energía libre. Aquí nos limitaremos a mostrar la relación entre ambos.

Cada una de las tres variables está relacionada a través de la termodinámica, por lo que se pueden convertir. Estos valores y ecuaciones se utilizan para las condiciones estándar. Cuando nos encontramos con sistemas que ya no están en condiciones estándar, cambian algunos supuestos, lo que significa que necesitamos fórmulas diferentes.

Condiciones del potencial celular

Las condiciones de potencial de la célula dependen del tipo de célula electroquímica que tengas entre manos. En todos los casos, el ánodo cederá electrones al cátodo. Sin embargo, una célula galvánica tendrá un potencial de célula positivo y una célula electrolítica tendrá un potencial de célula negativo.

A continuación, se trata de las condiciones estándar frente a las no estándar. Pero, ¿qué significa eso? Bueno, en el laboratorio, generalmente intentamos mantener las condiciones constantes para asegurarnos de que nuestros resultados son 1) lo más precisos posible, y 2) reproducibles. Estas condiciones se refieren a cosas sencillas como la temperatura, la presión, la concentración y la buena música.

Por desgracia, si no utilizamos un equipo perfecto, es inevitable que se produzca algún tipo de error. Para ayudar a tenerlo en cuenta, es importante introducir una ecuación pensada para condiciones de potencial celular no estándar.

Condiciones no estándar

Antes vimos que el potencial celular en condiciones estándar puede relacionarse con la constante de equilibrio. Recuerda que cuando un estado no está en equilibrio, se utiliza en su lugar el Cociente de Reacción. Este término puede aplicarse para hallar el cambio en la energía libre de Gibbs (ΔG) en condiciones no estándar. Se puede derivar la siguiente relación para el sistema:

$$ \Delta G = \Delta G^{\circ} + RT \ln {Q} $$

• R = constante del gas ideal (J ^{mol-1 K-1})
• T = temperatura (K)
• Q = cociente de reacción

Ya vimos en Potencial celular y energía libre que el potencial celular estándar puede derivarse de la energía libre de Gibbs estándar. Pues bien, aquí utilizaremos una relación similar:

\bin{align}\Delta G &= \Delta G^{\circ} + RT ¾ln {Q} ¾ -nFE_{célula} &= -nFE^{circ}_{célula} + RT \ln {Q} \\E_{cell} &= E^{\circ}_{cell} - \frac {RT} {nF} \ln {Q}\end{align}

Tras algunas derivaciones (que no se discutirán aquí), llegamos a una versión simplificada de esta fórmula.

$$ E_{cell} = E^{\circ}_{cell} - \frac {0,0257~V}} {n} \ln {Q} $$

Esta ecuación es absolutamente fundamental en electroquímica y se conoce como ecuación de Nernst. Cuando se intenta determinar el potencial celular en condiciones no estándar, la ecuación de Nernst es la fórmula a la que hay que recurrir. Es especialmente útil para determinar el potencial de la célula en situaciones en las que las semicélulas contienen diferentes concentraciones de electrolito.

Cuadro y tabla de potencial celular

La ecuación de Nernst describe el potencial celular y su relación con el equilibrio. Esencialmente, tiene consecuencias si hay una mayor concentración de reactivos, de productos o si son iguales. Esto puede resultar difícil de conceptualizar, por lo que suele ser útil elaborar un gráfico y una tabla del potencial celular

Así pues, puedes mirar esta tabla y entenderlo todo. O puede que la mires y sólo te parezcan valores aleatorios que no significan nada para ti. Si eres la segunda persona, no pasa nada. Vamos a desglosarlo juntos para ponerlo en palabras.

Lo que dice esta tabla es que el potencial celular no estándar se determinará en función de la posición de equilibrio. Si la concentración de productos es mayor que la de reactantes, el potencial celular será menor que el potencial estándar.

Así que, esencialmente, si el potencial celular es inferior al estándar, la reacción querrá ir a la inversa. Esto es lo que vimos en el ejemplo anterior. También puede decirse lo contrario. Si el potencial es mayor que el estándar, la reacción irá en dirección de avance.

¿Y si los productos y los reactivos son iguales? Esto significa que la célula está en condiciones estándar y el potencial de la célula es simplemente el potencial estándar. Y por último, si la reacción alcanza el equilibrio, no habrá potencial de célula porque no habrá diferencia de energía potencial. ¿Todo esto tiene sentido? Si no es así, prueba a introducir estos valores en la ecuación de Nernst y mira a ver qué pasa.

Símbolos del potencial celular

A veces puede resultar difícil recordar todas las variables, unidades y símbolos del potencial celular. Así que aquí tienes una tabla por si se te olvida lo que es cada uno.

Ten en cuenta que ésta no es una lista exhaustiva y que puedes encontrar otras. Además, hay otras unidades que pueden tener estos valores.

Esperemos que a estas alturas comprendas mejor el potencial celular. Recuerda que con una tabla de potencial de reducción, y la ecuación de Nernst, puedes determinar la espontaneidad de cualquier célula electroquímica que se te ocurra. ¡Prueba alguna y cumple tu destino como el próximo y mejor electroquímico!