Name: redox cell potential, Δg°, and k
Uploaded: 2020-09-24T15:06:52.000Z
Duration: 2 min 58 s
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Das Standardzellpotential zeigt die Spontaneität einer Redoxreaktion an, ebenso wie die Änderung der freien Standard-Gibbs-Energie für eine Reaktion. Da beide Begriffe ein Maß für die Reaktionsspontaneität sind, sind sie miteinander verwandt?
In einer galvanischen Zink-Kupfer-Zelle bewirkt das Zellpotential von 1,10 Volt einen Elektronenfluss, der die maximale elektrische Arbeit der Zelle darstellt. Wmax wird in Joule gemessen und als Produkt aus der in Coulomb übertragenen Gesamtladung und dem Zellpotential in Volt ausgedrückt.
Die Gesamtladung q hängt von n ab, der Anzahl der Mol Elektronen, die während der Reaktion übertragen werden. In der galvanischen Zink-Kupfer-Zelle werden 2 Mol Elektronen von Zink auf Kupfer übertragen, also n = 2. Um die Gesamtladung zu erhalten, wird N mit der Faradayschen Konstante multipliziert, die der Größe der elektrischen Ladung in 1 Mol Elektronen entspricht: 96.485 Coulomb.
Somit wird die maximale elektrische Arbeit, die von der galvanischen Zink-Kupfer-Zelle geleistet wird, aus den Mol der Elektronen, der Faradayschen Konstante und dem Zellpotential bestimmt.
Hier wird die gesamte Energie für die elektrische Arbeit von der Zelle selbst geliefert, was dazu führt, dass das System Arbeiten an der Umgebung ausführt, was durch ein negatives Vorzeichen gekennzeichnet ist. 
Erinnern Sie sich daran, dass die freie Gibbs-Energie mit der Energie einer Reaktion verbunden ist, die zur Ausführung von Arbeit zur Verfügung steht. Unter Standardbedingungen ist die Änderung der freien Gibbs-Energie ein Maß für die höchste Menge an Arbeit, die bei einer Reaktion erzeugt wird.
Auf diese Weise kann die maximale Arbeit durch ΔG substituiert werden, wodurch die Änderung der freien Energie einer elektrochemischen Reaktion bestimmt werden kann. 
Für die Zink-Kupfer-Reaktion beträgt ΔG -212 Kilojoule, was darauf hindeutet, dass es sich um eine spontane Reaktion handelt. Im Vergleich dazu ergibt eine Nickel-Mangan-Redoxreaktion mit einem Standardzellpotential von −0,93 Volt einen Wert von +179 Kilojoule, was darauf hindeutet, dass sie nicht spontan ist.
Die standardmäßige Änderung der freien Energie hängt auch mit der Gleichgewichtskonstante K zusammen. Eine große Gleichgewichtskonstante zeigt an, dass die Reaktion auf der Produktseite liegt und mit einem negativen ΔG-Wert korreliert und umgekehrt. 
Aufgrund ihrer Beziehung zu ΔG sind auch das Standardzellpotential und die Gleichgewichtskonstante miteinander verbunden. Diese Beziehung wird abgeleitet, indem diese Gleichung für das Zellpotential gelöst und ΔG durch die Gaskonstante, die Temperatur und den natürlichen Logarithmus von K ersetzt wird.

zellpotential und freie energie

Cell Potential and Free Energy

Thermodynamik einer Redoxreaktion Die Thermodynamik ist der Zweig der Physik, der sich mit der Beziehung zwischen Wärme und anderen Energieformen befasst. In einer elektrochemischen Zelle wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Somit kann ein Zusammenhang zwischen Zellpotential, Änderung der freien Energie und der Gleichgewichtskonstante für die Reaktion vorhergesagt werden. Das Zellpotential kann auch als Oxidationsmittel- oder Reduktionsstärke gemessen werden, und ähnliche Messungen der Säure-Base-Stärke spiegeln sich in Gleichgewichtskonstanten wider. Gibbs‘ freie Energie und die Beziehung zwischen E°cell  und ΔG° Die freie Gibbs-Energie ist eine Größe, die zur Berechnung der maximalen Menge an reversibler Arbeit verwendet wird, die von einem thermodynamischen System geleistet wird, das unter konstanten Temperatur- und Druckbedingungen gehalten wird. Es wird mit dem Symbol G bezeichnet und seine Änderung wird als ∆G dargestellt. Die Standardänderung der freien Energie eines Systems, ΔG°, ist definiert als die maximale von einem System geleistete Arbeit, wmax. Bei einer Redoxreaktion, die in einer galvanischen Zelle unter Standardbedingungen abläuft, ist die gesamte geleistete Arbeit mit der Elektronenübertragung vom Reduktionsmittel auf das Oxidationsmittel verbunden, welec. Daher, <img alt="Eq1" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_1.png" style="text-align: center; height: 50px;"> Allerdings hängt jede mit dem Elektronentransfer verbundene Arbeit von der übertragenen Ladung in Coulomb sowie vom Zellpotential ab: <img alt="Eq2" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 50px;"> Dabei ist n = die Anzahl der Mol übertragener Elektronen, F ist die Faradaysche Konstante, die die Coulomb-Ladung von 1 Mol Elektronen darstellt, und E°cell ist das Standardzellenpotential. Die Beziehung zwischen ΔG° und ΔE°cell bestätigt die Vorzeichenkonventionen und die Kriterien für die Reaktionsspontaneität. Spontane Redoxreaktionen haben ein positives Potential und negative Werte der freien Energie. Beziehung zwischen E°cell und K Die Standardänderung der freien Energie ΔG° hängt wie folgt mit der Gleichgewichtskonstante K einer Redoxreaktion zusammen: <img alt="Eq3" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_3.png" style="text-align: center; height: 50px;"> Die Kombination einer zuvor abgeleiteten Beziehung zwischen ΔG° und K und der Gleichung für ΔG° und E°cell ergibt Folgendes: <img alt="Eq4" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_4.png" style="text-align: center; height: 50px;"> Daher, <img alt="Eq5" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_5.png" style="text-align: center; height: 75px;"> Diese Gleichung weist darauf hin, dass Redoxreaktionen mit großen oder positiven Standardzellpotentialen bis zum Abschluss ablaufen und ein Gleichgewicht erreichen, wenn die meisten Reaktanten in Produkte umgewandelt wurden. Nichtspontane Reaktionen oder Reaktionen, die in umgekehrter Richtung ablaufen, weisen negative Zellpotentiale, positive Werte der freien Energie und eine Gleichgewichtskonstante von weniger als eins auf. Eine Gleichgewichtskonstante von eins und Zellpotential- und freie Energiewerte gleich Null sind mit einer Reaktion im Gleichgewicht unter Standardbedingungen verbunden. Der Zusammenhang zwischen dem Zellpotential unter Standardbedingungen und den thermodynamischen Konstanten ΔG° und K lässt sich durch die folgende Abbildung erklären: <img alt="Image1" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Image_1.png" style="text-align: center; height: 250px;"> Abbildung 1: Grafik, die die Beziehung zwischen drei wichtigen thermodynamischen Eigenschaften darstellt. Dieser Text wurde angepasst von <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>.

Zellpotential und freie Energie

Thermodynamik einer Redoxreaktion
Die Thermodynamik ist der Teilgebiet der Physik, der sich mit der Beziehung zwischen Wärme und anderen Energieformen beschäftigt. In einem ...

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KEY TERMS AND CONCEPTS

KERNBEGRIFFE UND KONZEPTE

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

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JoVE Core Chemie erweckt allgemeine Konzepte der Chemie durch kompakte und leicht verständliche animierte Videolektionen zum Leben. Außerdem zeigen wir in den Videos Wissenschaftler in Aktion bei klassischen und neuartigen Forschungsexperimenten, wie sie heutzutage in Laboren weltweit durchgeführt wurden.

Redox Cell Potential, ΔG°, and K

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