Celda Galvánica — Ecuación de Nernst

Calcula el potencial real de una celda electroquímica (E_cell) bajo condiciones no estándar con la ecuación de Nernst, junto con K_eq, ΔG, ΔG° y el cociente de reacción Q

K ≫ 10¹⁰: la reacción avanza prácticamente hasta completarse en condiciones estándar.

Celda de Referencia

Preset

Selecciona una celda galvánica clásica o configura una personalizada

Electrones transferidos

Temperatura

Temperatura de operación de la celda

0100

Potencial estándar del cátodo

Potencial estándar de reducción vs SHE (1 M, 25 °C)

-33

Concentración del ion catódico

Actividad del ion en la hemicelda (escala logarítmica)

1.000e-45

Coef. estequiométrico del ion catódico

Notación celular IUPAC

Zn(s) │ Zn²⁺(1 M) ║ Cu²⁺(1 M) │ Cu(s)

Resultados

E celda (Nernst, real)

1.1

E° celda (estándar)

1.1

ΔG (real)

-212.3

kJ/mol

Constante de equilibrio K

1.541e+37

Cociente de reacción Q

Celda Galvánica — Proceso Espontáneo

ΔG° (estándar)-212.3kJ/mol

Trabajo eléctrico máximo (−ΔG)212.3kJ/mol

Factor RT/nF a T0.01285V

Oxidación · ÁNODO (−)

Zn(s) → Zn²⁺ + 2e⁻

Reducción · CÁTODO (+)

Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu(s)

Fundamentos y Explicación

Celdas Galvánicas y Ecuación de Nernst

Una celda galvánica es un dispositivo electroquímico que convierte la energía libre de una reacción redox espontánea en trabajo eléctrico. Está formada por dos hemiceldas conectadas por un conductor electrónico externo (el alambre) y un conductor iónico interno (el puente salino). El electrodo donde ocurre la reducción es el cátodo (+); el electrodo donde ocurre la oxidación es el ánodo (−). La fuerza electromotriz (fem) bajo condiciones no estándar se obtiene con la ecuación de Nernst, integrada termodinámicamente sin aproximaciones:

E° celda (estándar)

E^\circ_{cell} = E^\circ_{cathode} - E^\circ_{anode}

E celda (Nernst)

E_{cell} = E^\circ_{cell} - \frac{RT}{nF}\,\ln Q

La ecuación de Nernst se deriva combinando ΔG = ΔG° + RT·lnQ con la relación electroquímica ΔG = −nFE. El factor RT/nF se evalúa dinámicamente con la temperatura configurada por el usuario.

Cociente de Reacción y Convención IUPAC

Para la reacción global balanceada

aA_{red} + bB_{ox} \rightarrow cC_{ox} + dD_{red}

, el cociente de reacción se define como cociente entre actividades (≈ concentraciones para soluciones diluidas) de productos sobre reactivos, elevadas a sus coeficientes estequiométricos:

Q = \frac{[\text{ion}_{anode}]^{\nu_{anode}}}{[\text{ion}_{cathode}]^{\nu_{cathode}}}

Cuidado con la convención: el ion del ánodo es producto de la reacción global (se oxida el metal, liberando el ion al medio); el ion del cátodo es reactivo (se reduce a metal sólido). Así, aumentar [ion cátodo] disminuye Q, lo que aumenta E_cell por Le Chatelier — coherente con la termodinámica.

Termodinámica: ΔG, ΔG° y K de equilibrio

La energía libre real (no estándar) determina la espontaneidad del proceso in-situ; la constante de equilibrio K se calcula con el potencial estándar. La relación ΔG° = −nFE° permite obtener la energía libre estándar directamente de mediciones electroquímicas — una de las formas experimentales más precisas de determinarla (ver también la calculadora de Gibbs-Helmholtz):

Δ G real

\Delta G = -nFE_{cell}

Δ G° estándar

\Delta G^\circ = -nFE^\circ_{cell}

K equilibrio

K = e^{\,nFE^\circ_{cell}/RT}

E_cell	ΔG	Régimen termodinámico
> 0	< 0	Celda galvánica espontánea — produce trabajo eléctrico (Wₘₐₓ = −ΔG).
≈ 0	≈ 0	Equilibrio — Q = K, no hay flujo neto de corriente (pila agotada).
< 0	> 0	Electrólisis — requiere fuente externa que invierta el proceso.

Notación y supuestos del modelo

Notación celular IUPAC

La línea vertical │ indica un cambio de fase (electrodo/solución); la doble línea ║ representa el puente salino. Por convención, el ánodo va a la izquierda, el cátodo a la derecha: por ejemplo, Zn(s) │ Zn²⁺(1 M) ║ Cu²⁺(1 M) │ Cu(s) describe la pila de Daniell estándar con E° = +1.10 V.

Las semirreacciones mostradas en la calculadora son las reducciones estándar unitarias (transferencia de 1 mol de e⁻ por ion), tal como se tabulan en las tablas de potenciales de reducción. No representan la reacción balanceada de la celda completa — los coeficientes estequiométricos de la reacción global se configuran por separado mediante los parámetros ν y n.

Solvente, referencia y actividad ideal

Las ecuaciones (Nernst, ΔG = −nFE, K = e^nFE°/RT) son universales en el solvente: la calculadora computa correctamente cualquier sistema. Sin embargo, los E° de los presets están tabulados vs SHE en solución acuosa a 25 °C (CRC Handbook, Atkins). Para sistemas no acuosos (electrolitos orgánicos de Li-ion, sales fundidas, líquidos iónicos) use el modo custom con E° consistentes con su referencia y solvente — no mezcle valores acuosos vs SHE con valores de otra escala.

Adicionalmente, se trata actividades = concentraciones molares, válido para soluciones diluidas (< 0.1 M); en soluciones reales debe corregirse con coeficientes γ_± (Debye-Hückel extendido, válido en agua). El sólido puro y el disolvente tienen actividad unitaria por definición y no aparecen en Q.

Sobrepotencial y cinética (no incluido)

El potencial Nernst es una cota termodinámica: el voltaje real entregado por la celda en operación se ve reducido por el sobrepotencial (η) — disipación cinética en cada electrodo + caída IR por la resistencia interna. Este simulador asume corriente despreciable (medición potenciométrica).

Constante	Valor	Fuente
R (gases)	8.314462618 J/(mol·K)	CODATA / NIST
F (Faraday)	96 485.33212 C/mol	CODATA 2019 (exacta)
T estándar	298.15 K (25 °C)	IUPAC Green Book

Referencias Académicas

[1] Atkins, P. & de Paula, J. (2014). Physical Chemistry (10th ed.). Oxford University Press. Cap. 7C (Electrochemistry: equilibrium electrochemistry).
[2] Bard, A. J. & Faulkner, L. R. (2001). Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications (2nd ed.). Wiley.
[3] IUPAC. (2019). Compendium of Chemical Terminology — Gold Book, entradas galvanic cell, Nernst equation, standard electrode potential.
[4] CODATA Task Group on Fundamental Constants. Faraday constant — Recommended value after the 2019 SI redefinition (exact by definition).

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