17.5: Potencial eléctrico

El potencial eléctrico se mide en voltios. Si un sistema que comprende un culombo de carga pasa por una diferencia de potencial de un voltio, se realiza un julio de trabajo en el sistema. El trabajo realizado en el sistema es igual al cambio en la energía del sistema. Para\(Q\) culombios que pasan por una diferencia de potencial de\(\mathcal{E}\) voltios, tenemos\(\Delta E=w_{elec}=Q\mathcal{E}\). Si esto representa un aumento o una disminución en la energía del sistema depende del signo de la carga y del signo de la diferencia de potencial.

El potencial eléctrico y el potencial gravitacional son análogos. El cambio de energía asociado con el movimiento de una masa de una elevación a otra en el campo gravitacional de la tierra es

\[\Delta E=w_{grav}=mgh_{final}-mgh_{initial}=m{\mathit{\Phi}}_{grav}\]

donde\({\mathit{\Phi}}_{grav}=g\left(h_{final}-h_{initial}\right)\), que es la diferencia de potencial gravitacional.

El papel que juega la carga en el caso eléctrico lo juega la masa en el caso gravitacional. Las energías de estos sistemas cambian porque la carga o la masa se mueven en respuesta a la aplicación de una fuerza. En el caso eléctrico, la fuerza es la fuerza eléctrica que surge de la interacción entre cargas. En el caso gravitacional, la fuerza es la fuerza gravitacional que surge de la interacción entre masas. Una diferencia notable es que la masa es siempre una cantidad positiva, mientras que la carga puede ser positiva o negativa.

La característica distintiva de una celda electroquímica es que existe una diferencia de potencial eléctrico entre los dos terminales. Para cualquier celda dada, la magnitud de la diferencia de potencial depende de la magnitud de la corriente que está fluyendo. (Haciendo aún más desafiante el problema general, encontramos que depende también de la historia detallada de las condiciones bajo las cuales se ha extraído la corriente eléctrica de la celda). Afortunadamente, si mantenemos constante la temperatura de la celda y medimos el potencial a corriente cero, el potencial eléctrico es constante. Bajo estas condiciones, las características de la célula son fijas y las mediciones de potencial dan resultados reproducibles. Queremos entender el origen y magnitud de esta diferencia de potencial. Experimentalmente, encontramos:

1. Si medimos el potencial eléctrico de corriente cero de una misma celda a diferentes temperaturas, encontramos que este potencial depende de la temperatura.

2. Si preparamos dos celdas con diferentes especies químicas, exhiben diferentes potenciales eléctricos, excepto posiblemente por una coincidencia ocasional.

3. Si preparamos dos celdas con la misma especie química a diferentes concentraciones y medimos sus potenciales eléctricos de corriente cero a la misma temperatura, encontramos que exhiben diferentes potenciales.

4. Si extraemos corriente de una célula dada a lo largo de un periodo de tiempo, encontramos que hay un cambio en las cantidades relativas de los reactivos presentes en la célula. En general, se produce una reacción química; algunos reactivos se consumen, mientras que otros se producen.

Podemos resumir estas observaciones experimentales diciendo que el tema central en la electroquímica es la interrelación de tres características de una celda electroquímica: la diferencia eléctrico-potencial entre los terminales de la celda, el flujo de electrones en el circuito externo y el químico cambios dentro de la celda que acompañan a este flujo de electrones.