إمكانيات الخلية والطاقة الحرة

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.