电池电势和自由能

标准电池电位表明氧化还原反应的 自发性，反应的标准吉布斯自由能的变化 也是如此。既然这两个术语都是反应自发性的量度，它们之间有联系吗？在锌铜原电池中，1.10 伏 的电池电位会引起电子流，这是 电池所做的最大电气功。w_max 以焦耳为单位，表示为 以库仑为单位转移的总电荷与 以伏特为单位的电池电位的乘积。总电荷 q 取决于 n，即反应过程中转移的 电子的摩尔数。在锌铜原电池中，有 2 摩尔电子 从锌转移到铜，因此 n 等于 2。为了获得总电荷，将 N 乘以法拉第常数，法拉第常数是 1 摩尔电子 中存在的电荷量：96, 485 库仑。因此，锌铜原电池所做的 最大电功 由电子摩尔数、法拉第常数和 电池电位决定。这里，所有用于电功的能量 都由电池本身提供，导致 系统对周围环境做功，用负号表示。回想一下，吉布斯自由能 与反应做功的能量有关。在标准状态下，吉布斯自由能的变化 是反应中产生的最大功 的量度。因此，可以用ΔG 代替最大功，从而可以确定电化学反应的 自由能变化。对于锌铜反应，ΔG 为 212 千焦耳，表明它是自发过程。相比之下，标准电池电位 为 0.93 伏的镍锰氧化还原反应 产生的值为 179 千焦耳，表明它是非自发过程。标准自由能变化也与 平衡常数 K 有关。较大的平衡常数 表示反应发生在生成物一侧，与之相关的ΔG 值为负，反之亦然。考虑到它们与ΔG 的关系，标准电池电位 和平衡常数也相关。用气体常数、温度和 K 的自然对数代替ΔG，通过求解电池电位方程，可以得出这个关系式。