Electrodo de hidrógeno estándar (SHE)

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El electrodo estándar de hidrógeno (SHE) se considera el electrodo de referencia principal en electroquímica y constituye la base para la medición de potenciales redox. Este electrodo se define como el electrodo de referencia, con un potencial cero, contra el cual se miden todos los demás potenciales de electrodo. En este artículo completo, exploraremos en detalle la estructura, la función, las aplicaciones y la importancia del electrodo estándar de hidrógeno.

Historia y principios fundamentales

Descubrimiento y desarrollo

El concepto de electrodo de hidrógeno fue propuesto por primera vez por químicos pioneros como Walther Nernst a finales del siglo XIX. En 1900, Nernst propuso la famosa ecuación del electrodo de hidrógeno, que describe la relación entre el potencial del electrodo y la actividad química de los reactivos.

Definición científica

El electrodo de hidrógeno estándar se define como un electrodo de platino expuesto a 1 atmósfera de gas hidrógeno e inmerso en una solución acuosa con una actividad iónica de hidrógeno de 1 (pH = 0). En estas condiciones, el potencial del electrodo se considera cero a cualquier temperatura.

Estructura y composición del electrodo de hidrógeno estándar

1. Electrodo de platino

Está hecho de platino puro y tiene un acabado en negro platino.
El negro de platino proporciona una superficie activa muy grande, que es fundamental para la absorción y la reacción del hidrógeno.
Los electrodos suelen tener forma de placas planas o bobinas.

2. Cámara de hidrógeno

Utilice hidrógeno de alta pureza (normalmente 99,999 %) con una presión precisa de 1 atmósfera.
El sistema debe estar completamente libre de impurezas, especialmente oxígeno.

3. Solución electrolítica

Generalmente se utiliza ácido clorhídrico (HCl), que tiene una actividad de iones de hidrógeno de 1.
En la práctica, para lograr estas condiciones se utiliza una concentración de aproximadamente 1,18 molar de HCl.

4. Temperatura estándar

Aunque el potencial SHE se define como cero a todas las temperaturas, las mediciones normalmente se realizan a 25 °C (298,15 K).

Mecanismo de reacción electroquímica

Semirreacción del electrodo

Las principales reacciones en el electrodo de hidrógeno estándar son las siguientes:

2H⁺(ac) + 2e⁻ ⇌ H₂(g)

Condiciones de equilibrio

Para que este electrodo sirva como referencia, se deben cumplir las siguientes condiciones:

La presión parcial de H₂ es exactamente 1 atmósfera.
La actividad del ion H⁺ es exactamente 1
El platino debe ser completamente puro y activo.

Método de preparación del electrodo de hidrógeno estándar

Paso 1: Prepare el electrodo de platino

Pula la superficie del platino utilizando papel de lija muy fino.
Limpie el electrodo en una solución ácida concentrada (generalmente HNO₃).
Los electrodos sufren electrólisis para formar platino negro.

Paso 2: Saturación de hidrógeno

Coloque los electrodos en la solución ácida.
El hidrógeno puro pasa a través del reactor a un caudal controlado.
Este proceso continúa hasta que el electrodo esté completamente saturado.

Paso 3: Calibración e inspección

Los electrodos están conectados al sistema de medición.
Este potencial se mide con respecto a un segundo electrodo de referencia.
Se realizarán los ajustes finales si es necesario.

Aplicaciones del electrodo de hidrógeno estándar

1. Mida el potencial estándar del electrodo.

Todos los potenciales de reducción estándar se miden en relación con SHE.
Sobre esta base se establece el potenciómetro estándar.

2. Termodinámica

Calcular la energía libre de Gibbs de las reacciones electroquímicas.
Determinar la constante de equilibrio de una reacción redox

3. Investigación sobre la corrosión

Medir el potencial de corrosión de varios materiales.
Investigación del mecanismo de corrosión

4. Industria de baterías y pilas de combustible

Diseño y optimización de sistemas de almacenamiento de energía
Estudio sobre el rendimiento de los electrodos en diferentes entornos.

5. Investigación bioelectroquímica

Investigación sobre sistemas biológicos que implican transferencia de electrones
Investigación sobre enzimas y proteínas electroactivas

Ventajas y limitaciones del electrodo de hidrógeno estándar

ventaja:

Referencia absoluta con potencial cero definido
Alta repetibilidad y confiabilidad
Respuesta rápida y estable
Se puede utilizar en un amplio rango de temperaturas.

límite:

La preparación es complicada y requiere mucho tiempo.
Se requiere un equipo especial para controlar con precisión la presión del hidrógeno.
Sensibilidad a las impurezas
Dificultad en el uso continuo y transporte

Electrodo de referencia alternativo

Debido a las dificultades prácticas en el uso de SHE , los electrodos de referencia secundarios se utilizan en muchas aplicaciones:

1. Electrodo de calomelanos saturados (SCE)

Basado en Hg/Hg₂Cl₂
El potencial relativo a SHE es de aproximadamente +0,242 V

2. Electrodo de cloruro de plata (Ag/AgCl)

Basado en Ag/AgCl
El potencial relativo a SHE es de aproximadamente +0,197 V

3. Electrodo de cobre-sulfato de cobre

Para la investigación del suelo y la corrosión

Normas internacionales pertinentes

El uso del electrodo de hidrógeno estándar está definido por organizaciones internacionales reconocidas:

IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada)
ASTM (Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales)
ISO (Organización Internacional de Normalización)

Consejos de seguridad al trabajar con SHE

Hidrógeno : Altamente inflamable, requiere un sistema de ventilación adecuado.
Ácidos fuertes : Se debe utilizar equipo de protección personal.
Platino negro : Evitar el contacto con la piel y la inhalación.
Sistema cerrado : garantiza que no haya fugas de hidrógeno.

Nuevas investigaciones y desarrollos futuros

1. Electrodo de referencia de estado sólido

Desarrollo de un electrodo de referencia más estable
Reducción de la demanda de hidrógeno

2. Sistema de microelectrodos

Diseño de electrodos de referencia a escala micro y nano
Aplicaciones en dispositivos médicos y sensores

3. Nuevas normas

Explorar la posibilidad de revisar la definición estándar
Adaptación a las nuevas tecnologías

en conclusión

Como piedra angular de la electroquímica moderna, el electrodo patrón de hidrógeno desempeña un papel vital en la investigación científica e industrial. Si bien su aplicación práctica en el laboratorio puede ser compleja, comprender sus principios y mecanismos de funcionamiento es crucial para cualquier químico, ingeniero de materiales y profesional científico relacionado. Con el avance de la tecnología, hemos presenciado el desarrollo de nuevos sistemas de referencia, pero el electrodo patrón de hidrógeno (SHE) sigue siendo el referente absoluto para las mediciones electroquímicas.

Preguntas frecuentes (FAQ)

1. ¿Por qué se utiliza platino en el electrodo de hidrógeno estándar?
Se eligió el platino como material del electrodo debido a sus excelentes propiedades catalíticas, estabilidad química y resistencia a la corrosión. El platino negro proporciona una superficie activa muy amplia, crucial para la absorción y la reacción del hidrógeno.

2. ¿Se pueden usar otros metales en lugar del platino? También se pueden usar
otros metales preciosos, como el paladio, pero se prefiere el platino por su mejor rendimiento y menor reactividad. Los metales comunes, como el cobre o el hierro, no son adecuados.

3. ¿Por qué la presión del hidrógeno debe ser exactamente de 1 atmósfera?
Este requisito se deriva de la definición termodinámica del potencial estándar. Cualquier desviación de esta presión produce un cambio en el potencial del electrodo, que puede calcularse mediante la ecuación de Nernst.

4. ¿Cómo se comporta el Electrodo Estándar de Hidrógeno (EHE) a diferentes valores de pH?
El EHE tiene potencial cero solo a pH = 0 (actividad del ion hidrógeno = 1). A otros valores de pH, su potencial sigue la ecuación de Nernst y no puede utilizarse como referencia estándar.

5. ¿Cuál es la precisión de medición del SHE?
En condiciones ideales, controlando con precisión los parámetros, se puede lograr una precisión de ±0,001 V. Sin embargo, la precisión de medición real suele rondar los ±0,005 V.