Cálculo del potencial de electrodo de hidrógeno (SHE): fundamentos y aplicaciones avanzadas

El cálculo del potencial de electrodo de hidrógeno (SHE) es esencial para entender reacciones electroquímicas. Este proceso determina la referencia estándar para medir potenciales electroquímicos.

En este artículo, exploraremos las fórmulas, tablas de valores comunes y ejemplos prácticos para dominar el cálculo del potencial SHE. Además, se analizarán aplicaciones reales y su relevancia en la industria y la investigación.

Calculadora con inteligencia artificial (IA) para Cálculo del potencial de electrodo de hidrógeno (SHE)

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Calcular el potencial SHE a 25°C con presión de hidrógeno a 1 atm y pH 0.
Determinar el potencial de electrodo a 35°C y presión de hidrógeno 0.5 atm.
Evaluar el efecto del pH 7 en el potencial SHE a temperatura estándar.
Calcular el potencial de electrodo para una concentración de iones H+ de 10^-3 M.

Tablas de valores comunes para el cálculo del potencial de electrodo de hidrógeno (SHE)

Para realizar cálculos precisos del potencial de electrodo de hidrógeno, es fundamental conocer los valores estándar y condiciones comunes que afectan el potencial. A continuación, se presenta una tabla detallada con los valores más utilizados en la práctica electroquímica.

Parámetro	Valor estándar	Unidad	Descripción
Potencial estándar de electrodo (E°_SHE)	0.000	V	Definido como referencia estándar
Temperatura (T)	298.15	K (25°C)	Temperatura estándar para mediciones
Presión parcial de H₂ (p_H2)	1.00	atm	Presión estándar de hidrógeno
Concentración de iones H⁺ ([H⁺])	1.00	M (mol/L)	Concentración estándar para pH 0
Constante de gas ideal (R)	8.314	J·mol^-1·K^-1	Constante universal de gases
Constante de Faraday (F)	96485	C·mol^-1	Carga por mol de electrones
pH	0 – 14	adimensional	Escala de acidez o basicidad
Potencial de electrodo corregido (E)	Variable	V	Potencial ajustado según condiciones

Además de estos valores, es importante considerar que el potencial de electrodo puede variar con la temperatura, presión y concentración de iones, por lo que se deben aplicar las fórmulas adecuadas para cada caso.

Fórmulas para el cálculo del potencial de electrodo de hidrógeno (SHE)

El potencial de electrodo de hidrógeno estándar (E°_SHE) se define como 0 V bajo condiciones estándar. Sin embargo, para condiciones no estándar, se utiliza la ecuación de Nernst para calcular el potencial real.

Ecuación de Nernst para el electrodo de hidrógeno

La reacción de reducción en el electrodo de hidrógeno es:

2H⁺ + 2e^– ⇌ H₂(g)

El potencial de electrodo se calcula con la siguiente fórmula:

E = E°SHE – (RT / 2F) · ln([H+]2 / pH2)

donde:

E: Potencial de electrodo en voltios (V)
E°_SHE: Potencial estándar del electrodo de hidrógeno (0 V)
R: Constante universal de gases (8.314 J·mol^-1·K^-1)
T: Temperatura absoluta en kelvin (K)
F: Constante de Faraday (96485 C·mol^-1)
[H⁺]: Concentración molar de iones hidrógeno (mol/L)
p_H2: Presión parcial del hidrógeno en atmósferas (atm)

Para simplificar el cálculo a temperatura estándar (25°C o 298.15 K), la ecuación se puede expresar en términos de pH y presión parcial de hidrógeno:

E = E°SHE – (0.05916 / 2) · log10([H+]2 / pH2) = -0.05916 · pH + (0.02958) · log10(pH2)

Donde:

El término 0.05916 V proviene de la constante (RT/F)·ln(10) a 25°C.
El pH se define como -log₁₀[H⁺].

Interpretación de variables y valores comunes

pH: En soluciones ácidas, el pH es menor que 7, aumentando el potencial positivo. En soluciones básicas, el pH es mayor que 7, disminuyendo el potencial.
Presión parcial de hidrógeno (p_H2): Aumentar la presión parcial de hidrógeno incrementa el potencial de electrodo.
Temperatura (T): A mayor temperatura, el valor de RT/F cambia, afectando el potencial calculado.

Otras fórmulas relacionadas

Para condiciones no ideales, se puede usar la actividad de los iones H⁺ en lugar de la concentración:

E = E°SHE – (RT / 2F) · ln(aH+2 / pH2)

donde a_H+ es la actividad del ion hidrógeno, que corrige efectos de interacción iónica en soluciones concentradas.

Además, para calcular el potencial en sistemas con diferentes gases o condiciones, se puede adaptar la ecuación de Nernst considerando las actividades o presiones parciales correspondientes.

Ejemplos prácticos del cálculo del potencial de electrodo de hidrógeno (SHE)

Ejemplo 1: Cálculo del potencial a pH 7 y presión de hidrógeno 1 atm a 25°C

Se desea calcular el potencial de electrodo de hidrógeno en una solución neutra (pH 7) con presión de hidrógeno estándar (1 atm) a temperatura ambiente (25°C).

Datos:

pH = 7
p_H2 = 1 atm
T = 298.15 K
E°_SHE = 0 V

Cálculo:

Usando la fórmula simplificada:

E = -0.05916 · pH + 0.02958 · log10(pH2)

Como p_H2 = 1 atm, log₁₀(1) = 0, entonces:

E = -0.05916 · 7 + 0 = -0.4141 V

Por lo tanto, el potencial de electrodo de hidrógeno a pH 7 y presión 1 atm es -0.4141 V respecto al SHE estándar.

Ejemplo 2: Cálculo del potencial a pH 0 y presión de hidrógeno 0.5 atm a 35°C

Se desea calcular el potencial de electrodo de hidrógeno en una solución ácida (pH 0) con presión parcial de hidrógeno de 0.5 atm a 35°C (308.15 K).

Datos:

pH = 0
p_H2 = 0.5 atm
T = 308.15 K
E°_SHE = 0 V
R = 8.314 J·mol^-1·K^-1
F = 96485 C·mol^-1

Cálculo:

Primero, calculamos el factor RT/2F:

RT/2F = (8.314 × 308.15) / (2 × 96485) = 0.01327 V

Luego, calculamos el logaritmo natural:

ln([H+]2 / pH2) = ln((1)2 / 0.5) = ln(2) = 0.6931

Finalmente, calculamos el potencial:

E = 0 – 0.01327 × 0.6931 = -0.0092 V

Por lo tanto, el potencial de electrodo de hidrógeno a pH 0, presión 0.5 atm y 35°C es aproximadamente -0.0092 V.

Importancia y aplicaciones del cálculo del potencial de electrodo de hidrógeno (SHE)

El potencial de electrodo de hidrógeno es la referencia fundamental en electroquímica, permitiendo comparar potenciales de otros electrodos y reacciones redox. Su cálculo preciso es crucial en:

Diseño de celdas electroquímicas: Para determinar la eficiencia y dirección de reacciones electroquímicas.
Corrosión y protección catódica: Evaluar potenciales para prevenir la corrosión en metales.
Electrólisis y producción de hidrógeno: Optimizar condiciones para generación de hidrógeno verde.
Desarrollo de sensores electroquímicos: Calibrar sensores basados en potenciales redox.
Investigación en pilas de combustible: Mejorar materiales y condiciones operativas.

Además, el conocimiento detallado del potencial SHE permite interpretar fenómenos electroquímicos en sistemas biológicos, ambientales e industriales.

Recursos adicionales y referencias para profundizar

Estos recursos ofrecen información técnica avanzada y actualizada para profesionales que deseen profundizar en el cálculo y aplicación del potencial de electrodo de hidrógeno.