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

Lorsque les électrons traversent un fil, ou les ions traversent une solution, ils génèrent de l'électricité. Ce flux d'électrons, ou plus précisément de charge électrique, est défini comme un courant électrique. Mais qu'est-ce qui fait circuler les électrons?Envisagez une réaction redox entre le cuivre et le zinc. Lorsqu'une électrode de zinc est placée dans une solution d'ions cuivre, les électrons sont transférés d'une substance à une autre. Le Zinc, ayant une plus grande tendance à perdre des électrons, est oxydé en ions zinc, tandis que les ions cuivre sont réduits en cuivre massif.Dans cette réaction, les électrons passent du zinc au cuivre, mais cette réaction ne génère pas d'électricité. Maintenant, considérons que les réactifs, zinc et cuivre, sont physiquement séparés et connectés via un conducteur externe tel qu'un fil. La tendance des réactifs à gagner ou perdre des électrons persiste encore, ce qui pousse les électrons circuler à travers le fil, qui relie les deux demi-réactions.Ce flux d'électrons constitue un courant électrique et peut alimenter des appareils électriques tels qu'une ampoule. Le courant électrique est mesuré en ampères. Un ampère équivaut au débit d'un coulomb de charge électrique par seconde, correspondant à 6, 24 10¹⁸ électrons par seconde.Le flux de courant électrique est semblable à l'eau qui coule dans une cascade. L'eau est entraînée par la différence en énergie potentielle gravitationnelle, tandis que le flux d'électrons est entraîné par la différence de l'énergie potentielle électrique entre les réactifs. Cette différence d'énergie potentielle électrique est décrit par les termes, différence de potentiel, force électromotrice ou potentiel cellulaire.Le potentiel cellulaire est une mesure de la force motrice entre deux réactifs et la tendance au transfert d'électrons. Le potentiel cellulaire de deux réactifs isolés est mesuré avec un voltmètre, qui est lu en tension cellulaire. Un volt correspond à un joule d'énergie potentielle pour un coulomb de charge électrique.Un potentiel cellulaire élevé indique une grande force motrice et une plus grande facilité de transfert d'électrons. Enfin, le potentiel cellulaire, ou force électromotrice, dépend de la nature des réactifs, de la température de réaction, et la concentration d'ions présents dans la réaction.

force électromotrice

L'électricité est générée par des électrons ou par des ions qui traversent une solution ou un milieu conducteur. Ce flux d'électrons, ou plus précisément la charge électrique, est défini comme un courant électrique. Lorsque les électrons se déplacent à travers un fil, ils génèrent un courant électrique. On peut rappeler que dans une réaction redox, les électrons sont perdus et gagnés. Dans la réaction redox spontanée du zinc  avec le cuivre, lorsque le zinc est immergé dans une solution d'ions cuivre, il se produit un transfert d'électrons d'une substance à une autre. 
 <img alt="Eq1" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_1.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 Le zinc, qui a le plus tendance à perdre des électrons, est oxydé en ions zinc, alors que les ions cuivre sont réduits en cuivre solide. Toutefois, cette réaction ne génère pas d'électricité. 
 Courant électrique et flux d'électrons 
 Le transfert d'électrons se produit directement d'un agent réducteur vers un agent oxydant dans une solution. Même si les constituants des demi-réactions sont physiquement isolés dans des réceptacles séparés et connectés via un conducteur externe tel qu'un fil, la tendance qu'ont les réactifs à perdre et à gagner des électrons persiste. Cependant, les électrons sont maintenant forcés de circuler à travers le fil reliant les deux demi-réactions. Ce flux d'électrons à travers le fil constitue un courant électrique et peut alimenter des appareils électroniques, comme une ampoule. Le courant électrique est mesuré en ampères. Un ampère est égal au débit d'une charge électrique d'un  coulomb par seconde et il est égal à 6,24 × 10−18 électrons par seconde. 
 <img alt="Eq2" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 72px;" />
 Comme un électron a une charge de 1,602 × 10−19 C, 1 ampère correspond au débit de 6,242 × 1018 électrons par seconde. 
 <img alt="Eq3" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_3.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 Force motrice pour le courant électrique, différence de potentiel et Fém 
 Le flux de courant électrique est similaire à l'eau qui coule dans une cascade. L'eau est entraînée par la différence d'énergie potentielle gravitationnelle, tandis que le flux d'électrons est entraîné par la différence d'énergie potentielle électrique entre les réactifs. Cette différence d'énergie potentielle électrique est décrite par les termes différence de potentiel, force électromotrice (Fém) ou potentiel de la cellule. La Fém est une mesure de la force motrice entre deux réactifs et de la tendance au transfert d'électrons. 
 Certaines réactions redox sont spontanées, alors que d'autres ne le sont pas. Par exemple, un fil de cuivre subit une oxydation spontanée par les ions argent(I), mais ne produit aucune réaction lorsqu'il est immergé dans une solution d'ions plomb(II). Ceci est dû à la différence entre l'activité redox des deux espèces, Ag+ (aq) et Pb2+ (aq) pour le cuivre : l'ion argent oxyde spontanément le cuivre, mais pas l'ion plomb. En électrochimie, cette différence de réactivité redox peut être quantifiée à l'aide du terme ‘ potentiel de cellule ’, également connu sous le nom de ‘ tension ’. 
 Le potentiel de cellule de deux réactifs isolés est mesuré à l'aide d'un voltmètre, qui est lu en tension de cellule. Un volt correspond à un joule d'énergie potentielle par coulomb de charge électrique. 
 <img alt="Eq4" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_4.png" style="text-align: center; height: 72px;" />
 Un potentiel de cellule élevé indique une force motrice importante et une plus grande facilité de transfert d'électrons. Enfin, la force électromotrice, ou le potentiel de la cellule, dépend de la nature des réactifs, de la température de la réaction et de la concentration des ions présents dans la réaction. 
 Ce texte est adapté de<a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-3-electrode-and-cell-potentials"> OpenStax, Chimie 2e, Section 17.3 : Potentiels d'électrode et de cellule</a>.

Force électromotrice

L’électricité est générée par des électrons ou des ions circulant dans une solution ou un milieu conducteur. Ce flux d’électrons ou plus précisément d’électricité ...

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TERMES ET CONCEPTS CLÉS

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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