Name: redox cell potential, Δg°, and k
Uploaded: 2020-09-24T15:06:52.000Z
Duration: 2 min 58 s
Channel: JoVE

يدل الكمون القياسي للخلية على تفاعل تأكسد واختزال تلقائي،وهو ما يدل عليه كذلك،التغير في طاقة غيبس الحرة القياسية في تفاعل ما. بما أن المصطلحين بمثابة قياس لتلقائية التفاعل،فهل توجد علاقة بينهما؟في خلية جلفانية من الزنك والنحاس،يتسبب كمون الخلية البالغ 1.10 فولت بتدفق الإلكترونات،وهو الحد الأعلى للشغل الكهربي الذي تستطيع الخلية القيام به. يُقاس الحد الأعلى w-max بوحدة الجول،ويُعبّر عنه بأنه مجموع إجمالي الشحنة المنقولة بالكولوم وكمون الخلية بالفولت.يعتمد إجمالي الشحنة q،على n،وهي عدد مولات الإلكترونات التي جرى نقلها أثناء التفاعل. في خلية الزنك والنحاس الجلفانية،يتم نقل مولين من الإلكترونات من الزنك إلى النحاس،بالتالي فإن n تساوي 2. للحصول على الشحنة الإجمالية،تُضرب n في ثابت فاراداي،وهو كمية الشحنة الكهربائية الموجودة في مول واحد من الإلكترونات:وتساوي 96, 485 كولوم.بالتالي فإن الحد الأعلى من العمل الكهربائي الذي تؤديه خلية زنك ونحاس جلفانية يُحدد من عدد مولات الإلكترونات،وثابت فاراداي،وكمون الخلية. كل طاقة العمل الكهربائي،هنا،تزودها الخلية ذاتها،وينتج عن ذلك أن النظام يمارس عملًا على البيئة المحيطة ويُشار إلى ذلك بإشارة سالبة. تذكروا أن طاقة غيبس الحرة مرتبطة بطاقة التفاعل المتوفرة لتنفيذ العمل.في الظروف المعيارية،فإن التغير في طاقة غيبس الحرة هو قياس لأكبر كمية من العمل تتولّد في تفاعل معين. بالتالي يمكن استبدال الحد الأعلى من العمل بدلتا G،مما يتيح تحديد التغير في الطاقة الحرة لتفاعل كهروكيميائي. في تفاعل الزنك والنحاس،قيمة دلتا G هي سالب 212 كيلو جول،مما يدل على أن التفاعل تلقائي.في المقابل،تفاعل التأكسد والاختزال بين النيكل والمنغنيز بكمون خلية قياسي مقداره سالب 0.93 فولت يعطي ما قيمته 179 كيلو جول،ما يدل على أن التفاعل غير تلقائي. كما أن التغير في الطاقة الحرة القياسية مرتبط كذلك بثابت التوازن،K. ارتفاع قيمة ثابت التوازن يدل على أن التفاعل يقع في طرف النواتج مشيرًا إلى أن قيمة دلتا G سالبة،والعكس صحيح.نظرًا لارتباطهما بدلتا G،فإن كمون الخلية القياسي وثابت التوازن مرتبطان أيضًا. تُشتق العلاقة بينهما بحل هذه المعادلة لحساب كمون الخلية واستبدال دلتا G بثابت الغاز،ودرجة الحرارة،واللوغاريتم الطبيعي لـ K.

إمكانيات الخلية والطاقة الحرة

Cell Potential and Free Energy

الديناميكا الحرارية لتفاعل الأكسدة والاختزال الديناميكا الحرارية هي فرع الفيزياء الذي يتعامل مع العلاقة بين الحرارة وأشكال الطاقة الأخرى. في الخلية الكهروكيميائية ، يتم تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. وبالتالي ، يمكن التنبؤ بوجود ارتباط بين جهد الخلية وتغير الطاقة الحرة وثابت التوازن للتفاعل. يمكن أيضًا قياس جهد الخلية كعامل مؤكسد أو قوة الاختزال ، وتنعكس مقاييس قوة القاعدة الحمضية المماثلة في ثوابت التوازن. جيبس’ الطاقة الحرة والعلاقة بين E°الخلية  و ΔG° إن طاقة جيبس ​​الحرة هي الكمية المستخدمة لحساب أقصى قدر من العمل القابل للعكس الذي يؤديه نظام ديناميكي حراري يتم الحفاظ عليه عند درجة حرارة ثابتة وظروف ضغط. يُشار إليه بالرمز G ، ويتم تمثيل تغييره كـ ∆G. يتم تعريف التغيير القياسي في الطاقة الحرة للنظام، ΔG°، على أنه الحد الأقصى للعمل الذي يؤديه النظام، wأقصى. بالنسبة إلى تفاعل الأكسدة والاختزال الذي يحدث داخل خلية جلفانية في ظل الظروف القياسية، فإن كل العمل المنجز يرتبط بنقل الإلكترون من عامل الاختزال إلى عامل الأكسدة، welec. Thus,<img alt="Eq1" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_1.png" style="text-align: center; height: 50px;" /> ومع ذلك ، فإن أي عمل مرتبط بنقل الإلكترون يعتمد على الشحنة المنقولة في كولوم بالإضافة إلى إمكانات الخلية: <img alt="Eq2" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 50px;" /> حيث n = عدد مولات الإلكترونات المنقولة، F هو ثابت فاراداي’، الذي يمثل الشحنة الكولومبية لمول واحد من الإلكترونات، و E°خلية هي إمكانات الخلية القياسية. العلاقة بين ΔG° و ΔE°خلية تؤكد اصطلاحات الإشارات ومعايير تلقائية التفاعل. تفاعلات الأكسدة والاختزال العفوية لها إمكانات إيجابية وقيم سلبية للطاقة الحرة. العلاقة بين الخلية E°خلية و K التغيير القياسي في الطاقة الحرة ΔG° يرتبط بثابت التوازن K لتفاعل الأكسدة والاختزال على النحو التالي: <img alt="Eq3" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_3.png" style="text-align: center; height: 50px;" /> دمج علاقة مشتقة سابقًا بين ΔG° و K والمعادلة المتعلقة بـ ΔG&#176 و E°خلية ينتج عنها ما يلي: <img alt="Eq4" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_4.png" style="text-align: center; height: 50px;" /> لذلك <img alt="Eq5" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_5.png" style="text-align: center; height: 75px;" /> تشير هذه المعادلة إلى أن تفاعلات الأكسدة والاختزال مع إمكانات الخلية القياسية الكبيرة أو الإيجابية ستواصل نحو الاكتمال ، وتصل إلى التوازن عندما يتم تحويل معظم المواد المتفاعلة إلى منتج. تُظهر التفاعلات أو التفاعلات غير التلقائية التي تسير في اتجاهات عكسية إمكانات خلوية سالبة وقيم طاقة حرة موجبة وثابت توازن أقل من واحد. يرتبط ثابت الاتزان لواحد وقيم إمكانات الخلية والطاقة الحرة التي تساوي صفرًا بتفاعل في ظل حالة توازن في الظروف القياسية. يمكن أن تكون العلاقة بين جهد الخلية في ظل الظروف القياسية والثوابت الديناميكية الحرارية ΔG° و K موضح بالشكل الموضح أدناه: <img alt="Image1" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Image_1.png" style="text-align: center; height: 250px;" /> الشكل 1: رسم يوضح العلاقة بين ثلاث خصائص ديناميكية حرارية مهمة. تم اقتباس هذا النص من <a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-4-potential-free-energy-and-equilibrium">Openstax,Chemistry 2e, Section 17.4: Potential, Free Energy, and Equilibrium</a>.

الديناميكا الحرارية لتفاعل الأكسدة والاختزال
الديناميكا الحرارية هي فرع من فروع الفيزياء يتعامل مع العلاقة بين الحرارة وأشكال الطاقة الأخرى. في ...

Education

JoVE Core

Chemistry

الكيمياء

واحد

Electrochemistry

الكيمياء الكهربائية

KEY TERMS AND CONCEPTS

المصطلحات والمفاهيم الأساسية

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 chemistry, where equilibrium constants help compare strength.

Gibbs free energy, written as G, is used to describe the maximum reversible work a system can perform at constant temperature and pressure. Its change is written as ΔG, and the standard free energy change, ΔG°, is the maximum work performed by the system under standard conditions. For a redox reaction in a galvanic cell, the work is tied to electron transfer from the reducing agent to the oxidizing agent.

The work from electron transfer depends on the charge moved in coulombs and the cell potential. In the equation, n is the number of moles of transferred electrons, F is Faraday’s constant, and E°cell is the standard cell potential. This relationship shows the sign pattern for spontaneity. Spontaneous redox reactions have positive cell potential and negative free energy change.

The standard free energy change is also related to the equilibrium constant K. When the equation for ΔG° is combined with the relation between ΔG° and E°cell, a direct link between E°cell and K appears. Reactions with large or positive standard cell potentials tend to move toward completion, so most reactants are converted to products before equilibrium is reached.

Nonspontaneous reactions, or reactions that proceed in the reverse direction, have negative cell potential, positive free energy change, and an equilibrium constant less than 1. If a reaction is at equilibrium under standard conditions, then K equals 1 and both cell potential and free energy change are 0. The relationship between E°cell, ΔG°, and K shows how thermodynamic values describe the same redox system from different angles.

Redox Cell Potential, ΔG°, and K

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

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...

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 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 cell potential relates to Gibbs free energy and the equilibrium constant. Learn which reactions are spontaneous and how E°cell predicts direction.

Redox Cell Potential, ΔG°, and K | 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.

Redox Cell Potential, ΔG°, and K

Description

Transcript