Name: redox cell potential, Δg°, and k
Uploaded: 2020-09-24T15:06:52.000Z
Duration: 2 min 58 s
Channel: JoVE

El potencial de celda estándar indica la espontaneidad de una reacción redox, al igual que el cambio en la energía libre de Gibbs estándar para una reacción. Como ambos términos son una medida de la espontaneidad de la reacción, están relacionados entre sí? En una celda galvánica de zinc-cobre, el potencial de la celda de 1, 10 voltios provoca un flujo de electrones, que es el trabajo eléctrico máximo realizado por la celda.w_max se mide en julios y se expresa como el producto de la carga total transferida en culombios y el potencial de la celda en voltios. La carga total, q, depende de n, el número de moles de electrones transferidos durante la reacción. En la celda galvánica de zinc-cobre, se transfieren 2 moles de electrones del zinc al cobre, por lo que n es igual a 2.Para obtener la carga total, N se multiplica por la constante de Faraday, que es la magnitud de la carga eléctrica presente en 1 mol de electrones:96, 485 culombios. Por lo tanto, el trabajo eléctrico máximo realizado por la celda galvánica de zinc-cobre se determina a partir de los moles de electrones, la constante de Faraday, y el potencial de la celda. Aquí, toda la energía para el trabajo eléctrico es suministrada por la propia celda, lo que hace que el sistema realice un trabajo en el entorno que se denota con un signo negativo.Recuerde que la energía libre de Gibbs está asociada con la energía disponible de una reacción para realizar un trabajo. En condiciones de estado estándar, el cambio en la energía libre de Gibbs es una medida de la mayor cantidad de trabajo generado en una reacción. Así, el trabajo máximo se puede sustituir por ΔG, lo que permite determinar el cambio de energía libre de una reacción electroquímica.Para la reacción zinc-cobre, ΔG es 212 kilojulios, lo que indica que es espontánea. En comparación, una reacción redox de níquel-manganeso con un potencial de celda estándar de 0, 93 voltios produce un valor de 179 kilojulios, lo que indica que no es espontánea. El cambio de energía libre estándar también está relacionado con la constante de equilibrio, K.Una constante de equilibrio grande indica que la reacción se encuentra en el lado del producto correlacionado con un valor de ΔG negativo, y viceversa.Dada su relación con el ΔG, el potencial de celda estándar y la constante de equilibrio también están relacionados. Esta relación se obtiene resolviendo esta ecuación para el potencial de celda y sustituyendo ΔG con la constante del gas, la temperatura, y el logaritmo natural de K.

potencial de celda y energía libre

Cell Potential and Free Energy

Termodinámica de una reacción redox
 La termodinámica es la rama de la física que se ocupa de la relación entre el calor y las otras formas de energía. En una celda electroquímica, la energía química se convierte en energía eléctrica.
 Por lo tanto, se puede predecir un vínculo entre el potencial de celda, el cambio de energía libre y la constante de equilibrio para la reacción. El potencial de celda también se puede medir como la fuerza oxidante o reductora, y medidas similares de la fuerza ácido-base se reflejan en las constantes de equilibrio.
 La Energía Libre de Gibbs y la relación entre la E°celda y ΔG°
 La energía libre de Gibbs es un valor utilizado para calcular la cantidad máxima de trabajo reversible realizado por un sistema termodinámico mantenido a temperatura y presión constantes. Se indica mediante el símbolo G y su cambio se representa como ΔG. El cambio de energía libre estándar de un sistema, ΔG°, se define como el trabajo máximo realizado por el sistema, wmax. Para una reacción redox que se produce dentro de una celda galvánica en condiciones estándar, todo el trabajo realizado se asocia con la transferencia de electrones del agente reductor al agente oxidante,welec. Así,
 <img alt="Eq1" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_1.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 Sin embargo, cualquier trabajo asociado con la transferencia de electrones depende de la carga transferida en Coulombs, así como del potencial de celda:
 <img alt="Eq2" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 Donde n = el número de moles de electrones transferidos, F es la constante de Faraday, que representa la carga coulombica de 1 mol de electrones, y E°celda es el potencial celda estándar. La relación entre ΔEˌ y ΔGˌcelda confirma las convenciones de signos y los criterios para la espontaneidad de la reacción. Las reacciones redox espontáneas tienen potencial positivo y valores negativos de energía libre.
 Relación entre Ecelda y K
 El cambio de energía libre estándar ΔGˌ está relacionado con la constante de equilibrio K de una reacción redox de la siguiente manera:
 <img alt="Eq3" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_3.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 La combinación de una relación derivada previamente entre ΔG° y K y la ecuación relacionada con ΔG° y E°celda produce lo siguiente:
 <img alt="Eq4" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_4.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 Por lo tanto,
 <img alt="Eq5" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_5.png" style="text-align: center; height: 75px;" />
 Esta ecuación indica que las reacciones redox con potenciales celda estándar grandes o positivos procederán hacia la finalización, alcanzando el equilibrio cuando la mayoría de los reactivos se hayan convertido en producto.
 Las reacciones no espontáneas o las reacciones que se producen en dirección inversa muestran potenciales de celda negativos, valores positivos de energía libre y una constante de equilibrio inferior a uno. Una constante de equilibrio de uno y los valores de potencial de celda y energía libre iguales a cero se asocian con una reacción en equilibrio en condiciones estándar.
 La relación entre el potencial de celda bajo condiciones estándar y las constantes termodinámicas ΔG° y K puede explicarse mediante la siguiente figura:
 <img alt="Image1" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Image_1.png" style="text-align: center; height: 250px;" />
 Figura 1: Gráfico que representa la relación entre tres importantes propiedades termodinámicas.
 Este texto está adaptado de <a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-4-potential-free-energy-and-equilibrium">Openstax, Química 2e, Sección 17.4: Potencial, Energía Libre y Equilibrio</a>.

Potencial de Celda y Energía Libre

Termodinámica de una reacción redox
La termodinámica es la rama de la física que se ocupa de la relación entre el calor y otras formas de energía. En un ...

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KEY TERMS AND CONCEPTS

TÉRMINOS Y CONCEPTOS CLAVE

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.

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Redox Cell Potential, ΔG°, and K

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