Name: cell voltage and electron flow
Uploaded: 2020-09-24T15:06:52.000Z
Duration: 2 min 36 s
Channel: JoVE

عند تدفق الإلكترونات عبر سلك،أو تدفق الأيونات عبر محلول،فإنها تولّد كهرباء. يُعرّف سيل الإلكترونات هذه،أو بتعبير أدقّالشحنة الكهربائية،على أنها تيار كهربائي. لكن ما الذي يجعل الإلكترونات تتدفق؟لنتأمل تفاعل تأكسد واختزال بين النحاس والزنك.عند وضع قضيب من الزنك داخل محلول من أيونات النحاس،فإن الإلكترونات تنتقل من مادة إلى أخرى. لأن الزنك ميّال أكثر لفقد الإلكترونات،يتأكسد إلى أيونات الزنك،بينما تُختزل أيونات النحاس إلى نحاس صلب. في هذا التفاعل،تتدفق الإلكترونات من الزنك إلى النحاس،لكن هذا التفاعل لا يولّد كهرباء.الآن لنعتبر أن المادتين المتفاعلتين،الزنك والنحاس،منفصلتان مكانيًا،ومتصلتان بواسطة موصل خارجي كسلك. ميل المادتين المتفاعلتين إلى اكتساب أو فقدان إلكترونات لا يزال مستمرًا،مما يدفع الإلكترونات للتدفق عبر السلك الواصل بين نصفي التفاعل. سيل الإلكترونات هذا يكوّن تيارًا كهربائيًا،يستطيع أن يغذي أجهزة كهربائية كالمصباح.يُقاس التيار الكهربائي بالأمبيرات. الأمبير الواحد يساوي تدفق كولوم واحد من شحنة كهربائية لكل ثانية،ويعادل 6.24 10¹⁸ إلكترون في الثانية. تدفق التيار الكهربائي يشبه تدفق الماء نزولًا من شلال.ما يحرك الماء هو الفرق في طاقة الجاذبية الكامنة،بينما ما يحرك الإلكترونات هو الفرق في الطاقة الكهربائية الكامنة ما بين المواد المتفاعلة. هذا الفرق في الطاقة الكهربائية الكامنة،يوصف بفرق الجهد،أو القوة الدافعة الكهربائية،أو جهد الخلية. جهد الخلية،هو قياس القوة الدافعة بين مادتين متفاعلتين والميل لانتقال الإلكترونات.يُقاس جهد الخلية لمادتين متفاعلتين منفصلتين بجهاز قياس الجهد،ويُقرأ على شكل فولتية الخلية. يرتبط فولت واحد بجول واحد من الطاقة الكامنة لكل كولوم من الشحنة الكهربائية. يدل ارتفاع جهد الخلية على وجود قوة دافعة كبيرة وسهولة أكبر في انتقال الالكترونات.أخيرًا،يعتمد جهد الخلية،أو القوة الدافعة الكهربائية،على طبيعة المواد المتفاعلة،ودرجة حرارة التفاعل،وتركيز الأيونات الداخلة في التفاعل.

القوة الدافعة الكهربائية

تتولد الكهرباء إما عن طريق إلكترونات أو أيونات تتدفق عبر محلول أو وسيط موصل. ويعرف هذا التدفق للإلكترونات أو الشحنة الكهربائية تحديدًا على أنه تيار كهربائي. عندما تتحرك الإلكترونات عبر سلك ، فإنها تولد تيارًا كهربائيًا. يمكن أن نتذكر  أنه في تفاعل الأكسدة والاختزال ، تُفقد الإلكترونات وتُكتسب. في تفاعل الأكسدة والاختزال العفوي للزنك مع النحاس، عندما ينغمس الزنك في محلول أيون النحاس ، يتم نقل الإلكترونات من مادة واحدة إلى يحدث آخر. <img alt="Eq1" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_1.png" style="text-align: center; height: 50px;" /> يتأكسد الزنك ، الذي يميل بشكل أكبر إلى فقد الإلكترونات ، إلى أيونات الزنك ، بينما يتم تقليل أيونات النحاس إلى نحاس صلب. ومع ذلك ، فإن هذا التفاعل لا يولد الكهرباء. التيار الكهربائي وكيفية تدفق الإلكترونات يحدث نقل الإلكترون مباشرة من عامل الاختزال إلى عامل مؤكسد في محلول. حتى إذا تم عزل مكونات نصف التفاعلات ماديًا في أوعية منفصلة ومتصلة عبر موصل خارجي مثل السلك ، فإن الميل لفقد الإلكترونات واكتسابها بواسطة المواد المتفاعلة لا يزال قائماً. ومع ذلك ، الآن ، تُجبر الإلكترونات على التدفق عبر السلك الذي يربط بين أنصاف ردود الفعل. يشكل تدفق الإلكترون عبر السلك تيارًا كهربائيًا ويمكنه تشغيل الأجهزة الإلكترونية ، مثل المصباح الكهربائي. يقاس التيار الكهربائي بالأمبير. أمبير واحد يساوي تدفق واحد  كولوم من الشحنة الكهربائية في الثانية ويساوي6.24 × 10−18 إلكترون في الثانية. <img alt="Eq2" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 72px;" /> بما أن شحنة الإلكترون1.602 × 10−19 C, 1 أمبير يرتبط بتدفق 6.242 × 1018 إلكترونًا في الثانية. <img alt="Eq3" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_3.png" style="text-align: center; height: 50px;" /> القوة الدافعة للتيار الكهربائي ، والفرق المحتمل ، وقوة القوة الدافعة يشبه تدفق التيار الكهربائي تدفق المياه إلى أسفل الشلال. الماء مدفوع بالاختلاف في طاقة الجاذبية الكامنة ، في حين أن تدفق الإلكترونات مدفوع بفرق طاقة الوضع الكهربائي بين المواد المتفاعلة. يتم وصف هذا الاختلاف في طاقة الوضع الكهربائي إما بمصطلحات فرق الجهد أو القوة الدافعة الكهربائية (emf) أو جهد الخلية. emf هو مقياس للقوة الدافعة بين مفاعلين والميل إلى نقل الإلكترون. بعض تفاعلات الأكسدة والاختزال عفوية ، والبعض الآخر ليس كذلك. على سبيل المثال ، يخضع السلك النحاسي لأكسدة تلقائية بواسطة أيونات الفضة (I) ، لكنه يفشل في إنتاج أي تفاعل عند غمره في محلول من أيونات الرصاص (II). يرجع ذلك إلى الاختلاف في نشاط الأكسدة والاختزال للنوعين Ag + ( aq ) و Pb 2+ ( aq ) نحو النحاس: يؤكسد أيون الفضة النحاس تلقائيًا ، لكن أيون الرصاص لا يؤكسد. يمكن قياس هذا الاختلاف في تفاعل الأكسدة والاختزال في الكيمياء الكهربائية باستخدام المصطلح & # 8216 ؛ جهد الخلية & # 8217 ؛؛ المعروف أيضًا باسم & # 8216 ؛ الجهد & # 8217 ؛. يتم قياس جهد الخلية لاثنين من المتفاعلات المعزولة باستخدام مقياس الفولتميتر الذي يُقرأ بجهد الخلية. يرتبط فولت واحد بجول واحد من الطاقة الكامنة لكل كولوم من الشحنة الكهربائية. <img alt="Eq4" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_4.png" style="text-align: center; height: 72px;" /> تشير إمكانات الخلية العالية إلى قوة دافعة كبيرة وسهولة أكبر في نقل الإلكترون. أخيرًا ، تعتمد القوة الدافعة الكهربائية ، أو جهد الخلية ، على المتفاعلات & # 8217 ؛ الطبيعة ودرجة حرارة التفاعل وتركيز الأيونات الموجودة في التفاعل. هذا النص مقتبس من <a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-3-electrode-and-cell-potentials">OpenStax, Chemistry 2e, Section 17.3: Electrode and Cell Potentials</a>.

يتم توليد الكهرباء إما عن طريق الإلكترونات أو الأيونات المتدفقة عبر محلول أو وسط موصل. هذا التدفق من الإلكترونات أو على وجه التحديد الكهربائية ...

Education

JoVE Core

Chemistry

الكيمياء

واحد

Electrochemistry

الكيمياء الكهربائية

KEY TERMS AND CONCEPTS

المصطلحات والمفاهيم الأساسية

Electromotive Force

cell voltage and electron flow

Electric current is the flow of electric charge through a conducting medium or a solution. In wires, that charge is carried by electrons. In some solutions, ions can also move and carry charge. When electrons move through a wire, they produce an electric current.

This idea connects to redox reactions, where electrons are lost and gained. In the spontaneous reaction between zinc and copper ions, zinc is oxidized to zinc ions. Copper ions are reduced to solid copper. Even so, this direct reaction does not generate useful electricity.

Electricity is produced when the half-reactions are separated into different vessels and linked by an external wire. The tendency for electrons to move from the reducing agent to the oxidizing agent still remains. But now the electrons must travel through the wire instead of moving directly in solution. That forced movement is an electric current, and it can power devices such as a light bulb.

Electric current is measured in amperes. One ampere means one coulomb of charge moves each second. That is equal to about 6.24 × 10^18 electrons per second. Since one electron has a charge of 1.602 × 10^-19 C, the ampere gives a direct measure of electron flow.

The flow of current depends on a driving force, much like water flowing down a waterfall. Water moves because of a difference in gravitational potential energy. Electrons move because of a difference in electrical potential energy between the reactants. This difference is called potential difference, electromotive force, or cell potential.

Electromotive force, or emf, describes the driving force between two reactants and their tendency to transfer electrons. Some redox reactions are spontaneous, but others are not. For example, copper wire is oxidized spontaneously by silver(I) ions, but it does not react with lead(II) ions. That difference shows that silver ions and lead ions do not have the same redox reactivity toward copper.

Cell potential is another name for this redox driving force, and voltage is a common word for it. A voltmeter is used to measure the cell potential of two isolated reactants. The reading is given in volts. One volt equals one joule of potential energy per coulomb of charge. A high cell potential means a strong driving force and easier electron transfer. The electromotive force also depends on the nature of the reactants, the temperature, and the concentration of ions in the reaction.

Cell Voltage and Electron Flow

balancing redox equations

Redox Reactions and Half-Reaction Balancing

Redox reactions involve electron transfer and changes in oxidation number. In electrochemistry, these reactions connect chemical changes with electrical energy. They also power technologies such as industrial metal processing and rechargeable batteries used in electric vehicles. Oxidation number is a way to track how an atom's electronic environment changes compared with the pure element, where the oxidation number is zero. For a simple ionic compound, the oxidation number matches the ion...

electromotive force

Electric current is the flow of electric charge through a conducting medium or a solution. In wires, that charge is carried by electrons. In some solutions, ions can also move and carry charge. When electrons move through a wire, they produce an electric current. This idea connects to redox reactions, where electrons are lost and gained. In the spontaneous reaction between zinc and copper ions, zinc is oxidized to zinc ions. Copper ions are reduced to solid copper. Even so, this direct...

voltaic/galvanic cells

Galvanic Cells and Battery Reactions

Galvanic cells use spontaneous redox reactions to produce electric current. A common example is a disposable AA battery, which powers devices by turning chemical energy into electrical energy. Another example is a copper wire placed in silver nitrate solution, where the solution slowly turns bright blue and a grey solid forms on the wire. In the copper and silver reaction, copper is oxidized and silver ions are reduced. Copper forms cuprous ions, which give the solution its blue color. At the...

standard electrode potentials

Using Electrode Potentials to Predict Reactions

Electrode potentials help predict whether a redox reaction will happen on its own. A redox reaction involves electron transfer. In electrochemistry, the measured value is called cell potential or cell voltage. It shows the energy linked to charge transfer and is measured in volts, where 1 volt equals 1 joule per coulomb. A single half-cell cannot be measured by itself because electron transfer needs both a donor and a receiver. For that reason, scientists measure the difference between two...

cell potential and free energy

Redox Cell Potential, ΔG°, and K

Redox cell potential connects chemical energy, free energy change, and the equilibrium constant in an electrochemical cell. In these reactions, chemical energy is converted into electrical energy. That link helps predict whether a reaction is spontaneous and how far it may proceed. Thermodynamics is the study of how heat and other forms of energy are related. In an electrochemical cell, cell potential can also reflect oxidizing strength or reducing strength. A similar idea appears in acid-base...

the nernst equation

Cell Potential Under Changing Conditions

Cell potential changes when a redox reaction does not run at standard conditions. Standard cell potentials connect with standard free energy change, ΔG°, and the equilibrium constant K, but those relationships only hold at 1 M concentration, 298 K, and 1 atmosphere. A zinc(II) and tin(II) redox cell with E°cell = +0.291 V and ΔG° = −56.2 kJ is spontaneous under those standard conditions. As a cell discharges, the reactant concentration changes and the cell potential steadily drops. Many redox...

concentration cells

Cell Potential from Concentration Differences

Concentration cells are voltaic cells that use two almost identical half-cells. The half-cells use the same electrode and the same half-reaction. They differ only in the concentration of one redox species, so the cell potential depends on that concentration difference. In a concentration cell, the Nernst equation can be used to find the cell potential. For the zinc example shown, the calculated cell potential is positive. A positive cell potential means the overall reaction is spontaneous. <br...

batteries and fuel cells

Primary, Rechargeable Batteries and Fuel Cells

Batteries and fuel cells are galvanic cells that supply electrical power for many applications. They range from tiny button batteries in wristwatches to large systems that can provide backup energy to municipal power grids. Some are primary cells, which are single-use and cannot be recharged. Others are secondary cells, which use reversible reactions and can be charged again by an external power source. A common primary battery is the dry cell. It uses zinc as both the container and the anode,...

corrosion

Rusting and Metal Protection

Corrosion is the natural breakdown of metals through electrochemical reactions. It can appear as rust on iron, tarnish on silver, or a blue-green patina on copper. In each case, the metal is oxidized. Some corrosion products can protect the surface, while others keep damaging the metal. Rusting is the harmful type of corrosion seen in iron. It happens when iron is exposed to oxygen and water. A galvanic cell forms on the iron surface, and this drives oxidation at the anodic region and...

electrolysis

Electrolysis in Batteries and Metal Production

Electrolysis uses electrical energy to drive a nonspontaneous redox reaction. In a galvanic cell, a spontaneous redox reaction does electrical work on the surroundings by sending electrons through an external circuit. In electrolysis, an external circuit does work on the redox system by applying a voltage large enough to force the reaction in the opposite direction. This process is used in several real-world settings. Recharging a battery is one example, because an outside power source drives...

key terms and concepts

Explore how redox reactions create electric current, what cell potential means, and how voltage and emf measure the driving force for electron flow.

Cell Voltage and Electron Flow | JoVE K12

chemistry

JoVE Core Chemistry brings general chemistry concepts to life using concise and easy-to-understand animated video lessons. Plus, in the scientist-in-action videos, we demonstrate classical and original research experiments performed in today's laboratories worldwide.

Cell Voltage and Electron Flow

Description

Transcript

Tags