Conductividad y celdas electrolíticas (conductividad específica, molar y equivalente)

La electroquímica es una rama de la química que se ocupa de la relación entre la energía eléctrica y los cambios químicos. Tiene diversas aplicaciones en baterías, celdas de combustible y electrólisis. Uno de los conceptos esenciales en electroquímica es el concepto de conductividad, especialmente en celdas electrolíticas. En este artículo, profundizaremos en la comprensión de la conductividad y los distintos parámetros asociados a ella, como la conductividad específica, la conductividad molar y la conductividad equivalente.

Conceptos básicos de conductividad

La conductividad describe cuán bien una sustancia permite el flujo de corriente eléctrica. En una celda electrolítica, donde el medio es una solución líquida, la conductividad está determinada por los iones presentes en la solución. La capacidad de estos iones para transportar una carga eléctrica contribuye a la conductividad de la solución.

La conductividad eléctrica (G) es el inverso de la resistencia eléctrica (R) y se expresa con la fórmula:

g = 1/r

Donde:

• G es la conductividad, medida en siemens (S).
• R es la resistencia, medida en ohmios (Ω).

Para una solución electrolítica dada, la resistencia depende de la naturaleza del electrolito, su concentración y la temperatura de la solución.

Conductividad específica (κ)

La conductividad específica, también conocida simplemente como conductividad, es una medida de cuán bien una solución puede conducir electricidad. Se define como la conductividad de una solución por unidad de longitud y unidad de área transversal. La unidad del SI para la conductividad específica es siemens por metro (S/m).

La fórmula para la conductividad específica es:

κ = G * (L / A)

Donde:

• κ (kappa) es la conductividad específica.
• G es la conductividad.
• L es la longitud del conductor (en metros).
• A es el área de sección transversal del conductor (en metros cuadrados).

La conductividad específica de una solución electrolítica depende de la concentración y la naturaleza del electrolito. Generalmente, a medida que aumenta la concentración de iones en la solución, aumenta también la conductividad específica.

Conductividad molar (_Λm)

La conductividad molar es una medida de la fuerza motriz de todos los iones producidos al disolver un mol de un electrolito en una solución. Se expresa generalmente en unidades de siemens metros cuadrados por mol (S m²/mol).

La fórmula para la conductividad molar es:

Λm = κ/c

Donde:

• _{Λ m} es la conductividad molar.
• κ es la conductividad específica.
• C es la concentración molar de la solución (en moles por litro).

La conductividad molar aumenta con la dilución debido al incremento de la movilidad iónica. A dilución infinita, los iones están muy separados entre sí, y su interacción se vuelve insignificante. Esto se llama conductividad molar límite.

Comprendiendo la conductividad molar límite

El concepto de conductividad molar límite es importante. Representa la conductividad molar cuando la solución electrolítica está tan diluida que cualquier dilución adicional no cambia la conductividad. Se expresa como:

Λ m ∞ = Λ m cuando C → 0

Esto ayuda a comprender la conductividad intrínseca del electrolito y es útil para comparar diferentes electrolitos.

Conductividad equivalente (Λ _eq)

La conductividad equivalente es similar a la conductividad molar, pero se basa en la concentración equivalente en lugar de la concentración molar. Se define como la conductividad de una solución que contiene un equivalente gramo del electrolito. Se expresa en siemens metro cuadrado por equivalente (S m²/eq).

La fórmula para la conductividad equivalente es:

Λ eq = κ / N

Donde:

• Λ eq es la conductividad equivalente.
• κ es la conductividad específica.
• N es la normalidad de la solución (equivalentes gramo por litro).

Relación entre conductividad molar y equivalente

Hay una relación directa entre la conductividad molar y la conductividad equivalente. Para un electrolito dado con valencia z, la relación se da por:

Λ eq = Λ m / z

Esta ecuación muestra que la conductividad equivalente se puede obtener de la conductividad molar considerando el factor de equivalencia del electrolito, que depende del número de iones que produce.

Aplicando conceptos con ejemplos

Tomemos el ejemplo de una solución de cloruro de sodio (NaCl):

1. Calcular la conductividad específica con resistencia conocida:

• Si la resistencia de la solución de NaCl es 5 Ω, la conductividad específica (κ) se puede calcular como:

g = 1 / r = 1 / 5 = 0.2 s
κ = g * (l/a) = 0.2 * (1/1) = 0.2 s/m
    

2. Encontrar la conductividad molar con concentración:

• Suponiendo una concentración molar de 0.1 mol/L para la solución de NaCl, la conductividad molar es:

Λ m = κ / C = 0.2 / 0.1 = 2 S m²/mol

3. Conductividad equivalente:

• Usando la misma solución, con conductividad equivalente (z = 1 para NaCl), se encuentra:

Λ eq = Λ m / z = 2 / 1 = 2 S m²/eq

Conclusión

Comprender la conductividad y su parametrización en términos de conductividad específica, molar y equivalente es fundamental para predecir y medir la capacidad de una solución para conducir electricidad. Estos parámetros son importantes para aplicaciones industriales, investigaciones académicas y propósitos educativos.

Comprender cómo se comporta la conductividad bajo diferentes condiciones ayuda a un mejor diseño de dispositivos y procesos electroquímicos, lo que lleva a una mayor eficiencia y productividad.

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