Name: cell voltage and electron flow
Uploaded: 2020-09-24T15:06:52.000Z
Duration: 2 min 36 s
Channel: JoVE

Cuando los electrones fluyen a través de un cable, o los iones fluyen a través de una solución, generan electricidad. Este flujo de electrones, o, más específicamente, carga eléctrica, se define como una corriente eléctrica. Pero, Qué hace que fluyan los electrones?Considere una reacción redox entre el cobre y el zinc. Cuando se coloca un electrodo de zinc en una solución de iones de cobre, los electrones se transfieren de una sustancia a otra. El zinc, que tiene una mayor tendencia a perder electrones, se oxida en iones de zinc, mientras que los iones de cobre se reducen a cobre sólido.En esta reacción, los electrones fluyen del zinc al cobre, pero esta reacción no genera electricidad. Ahora, considere que los reactivos, zinc y cobre, están físicamente separados y conectados a través de un conductor externo como un cable. La tendencia de los reactivos a ganar o perder electrones aún persiste, lo que hace que los electrones fluyan a través del cable, que conecta las dos semirreacciones.Este flujo de electrones constituye una corriente eléctrica y puede alimentar aparatos eléctricos como una bombilla. La corriente eléctrica se mide en amperios. Un amperio equivale al flujo de un culombio de carga eléctrica por segundo, correspondiente a 6, 24 10¹⁸ electrones por segundo.El flujo de corriente eléctrica es similar al agua que fluye por una cascada. El agua es impulsada por la diferencia de energía potencial gravitacional, mientras que el flujo de electrones es impulsado por la diferencia de energía potencial eléctrica entre los reactivos. Esta diferencia en la energía eléctrica potencial se describe mediante los términos diferencia de potencial, fuerza electromotriz o potencial de celda.El potencial de celda es una medida de la fuerza impulsora entre dos reactivos y la tendencia a la transferencia de electrones. El potencial de celda de dos reactivos aislados se mide con un voltímetro, que se lee en el voltaje de celda. Un voltio se correlaciona con un joule de energía potencial por un culombio de carga eléctrica.Un alto potencial de celda indica una gran fuerza impulsora y una mayor facilidad de transferencia de electrones. Por último, el potencial de celda, o fuerza electromotriz, depende de la naturaleza de los reactivos, la temperatura de reacción, y la concentración de iones presentes en la reacción.

fuerza electromotriz

La electricidad es generada por electrones o iones que fluyen a través de una solución o un medio conductor. Este flujo de electrones o específicamente de carga eléctrica se define como una corriente eléctrica. Cuando los electrones se mueven a través de un alambre, generan una corriente eléctrica. Se puede recordar que en una reacción redox, los electrones se pierden y se ganan. En la reacción redox espontánea del zinc con cobre, cuando el zinc se sumerge en una solución de iones de cobre, se produce una transferencia de electrones de una sustancia a otra.
 <img alt="Eq1" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_1.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 El zinc, que tiene una mayor tendencia a perder electrones, se oxida a iones de zinc, mientras que los iones de cobre se reducen a cobre sólido. Sin embargo, esta reacción no genera electricidad.
 Corriente eléctrica y cómo fluyen los electrones
 La transferencia de electrones se produce directamente desde un agente reductor a un agente oxidante en una solución. Incluso si los componentes de las semirreacciones están físicamente aislados en vasos separados y conectados a través de un conductor externo como un alambre, la tendencia a perder y ganar electrones por los reactantes persiste. Sin embargo, ahora, los electrones se ven forzados a fluir a través del alambre que conecta las dos semirreacciones. Este flujo de electrones a través del cable constituye una corriente eléctrica y puede alimentar aparatos electrónicos, como una bombilla. La corriente eléctrica se mide en amperios. Un amperio es igual al flujo de un coulomb de carga eléctrica por segundo y es igual a 6,24 × 10−18 electrones por segundo.
 <img alt="Eq2" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 72px;" />
 Dado que un electrón tiene una carga de 1,602 × 10−19 C, 1 amperio se correlaciona con el flujo de 6,242 × 1018 electrones por segundo.
 <img alt="Eq3" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_3.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 La fuerza impulsora para la corriente eléctrica, la diferencia de potencial y Emf
 El flujo de corriente eléctrica es similar al agua que fluye por una cascada. El agua es impulsada por la diferencia en la energía potencial gravitacional, mientras que el flujo de electrones es impulsado por la diferencia en la energía potencial eléctrica entre los reactantes. Esta diferencia en la energía potencial eléctrica se describe ya sea por los términos diferencia de potencial, fuerza electromotriz (fem), o potencial de celda. La fem es una medida de la fuerza impulsora entre dos reactivos y la tendencia a la transferencia de electrones.
 Algunas reacciones redox son espontáneas, mientras que otras no. Por ejemplo, un alambre de cobre sufre oxidación espontánea por iones de plata (I), pero no produce ninguna reacción cuando se sumerge en una solución de iones de plomo (II). Esto se debe a la diferencia en la actividad redox de las dos especies, Ag+ (ac) y Pb2+ (ac), hacia el cobre: El ion plata oxida espontáneamente el cobre, pero el ion plomo no. Esta diferencia en la reactividad redox en electroquímica puede cuantificarse utilizando el término ‘potencial de celda’; también conocido comúnmente como ‘voltaje’.
 El potencial de celda de dos reactivos aislados se mide con un voltímetro, que se lee en voltaje de la celda. Un voltio se correlaciona con un joule de energía potencial por cada coulomb de carga eléctrica.
 <img alt="Eq4" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_4.png" style="text-align: center; height: 72px;" />
 Un alto potencial de celda indica una gran fuerza impulsora y una mayor facilidad de transferencia de electrones. Por último, la fuerza electromotriz, o potencial de celda, depende de la naturaleza de los reactivos, de la temperatura de la reacción y de la concentración de los iones presentes en la reacción.
 Este texto es adaptado de<a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-3-electrode-and-cell-potentials"> OpenStax, Química 2e, Sección 17.3: Potenciales de Electrodos y Celdas</a>.

Fuerza Electromotriz

La electricidad es generada por electrones o iones que fluyen a través de una solución o un medio conductor. Este flujo de electrones o específicamente eléctrico ...

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TÉRMINOS Y CONCEPTOS CLAVE

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 reaction does not generate useful electricity.

Electricity is produced when the half-reactions are separated into different vessels and linked by an external wire. The tendency for electrons to move from the reducing agent to the oxidizing agent still remains. But now the electrons must travel through the wire instead of moving directly in solution. That forced movement is an electric current, and it can power devices such as a light bulb.

Electric current is measured in amperes. One ampere means one coulomb of charge moves each second. That is equal to about 6.24 × 10^18 electrons per second. Since one electron has a charge of 1.602 × 10^-19 C, the ampere gives a direct measure of electron flow.

The flow of current depends on a driving force, much like water flowing down a waterfall. Water moves because of a difference in gravitational potential energy. Electrons move because of a difference in electrical potential energy between the reactants. This difference is called potential difference, electromotive force, or cell potential.

Electromotive force, or emf, describes the driving force between two reactants and their tendency to transfer electrons. Some redox reactions are spontaneous, but others are not. For example, copper wire is oxidized spontaneously by silver(I) ions, but it does not react with lead(II) ions. That difference shows that silver ions and lead ions do not have the same redox reactivity toward copper.

Cell potential is another name for this redox driving force, and voltage is a common word for it. A voltmeter is used to measure the cell potential of two isolated reactants. The reading is given in volts. One volt equals one joule of potential energy per coulomb of charge. A high cell potential means a strong driving force and easier electron transfer. The electromotive force also depends on the nature of the reactants, the temperature, and the concentration of ions in the reaction.

Cell Voltage and Electron Flow

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

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, 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...

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 reactions create electric current, what cell potential means, and how voltage and emf measure the driving force for electron flow.

Cell Voltage and Electron Flow | JoVE K12

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Cell Voltage and Electron Flow

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