Zellpotential und freie Energie

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. W_max 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.