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

כשאלקטרונים זורמים בחוט חשמל או יונים זורמים בתמיסה, הם יוצרים חשמל. זרם זה של אלקטרונים, או באופן ספציפי יותר, של מטען חשמלי, מוגדר כזרם חשמלי. אבל מה גורם לאלקטרונים לזרום?חשבו על תגובת חמזור בין נחושת לאבץ. כשאלקטרודת אבץ מונחת בתמיסה של יוני נחושת, אלקטרונים מועברים מחומר אחד למשנהו. אבץ, שיש לו נטייה גדולה יותר לאבד אלקטרונים, מחומצן ליוני אבץ, בעוד יוני הנחושת עוברים חיזור לנחושת מוצקה.בתגובה זו אלקטרונים זורמים מאבץ לנחושת, אבל תגובה זו אינה מחוללת חשמל. עכשיו חשבו שהמגיבים, אבץ ונחושת, מופרדים פיזית ומחוברים בעזרת מוליך חיצוני כמו חוט חשמל. נטיית המגיבים לקבל או לאבד אלקטרונים עדיין מתקיימת ומניעה את האלקטרונים לזרום דרך חוט החשמל, שמחבר בין שני חצאי התגובות.זרם האלקטרונים יוצר זרם חשמלי ויכול להפעיל מכשירים חשמליים כמו נורה. זרם חשמלי נמדד באמפרים. אמפר אחד שווה לזרם של קולון אחד של מטען חשמלי לשנייה, המתאים ל כ-6.24 10¹⁸ אלקטרונים לשנייה.הזרימה של זרם חשמלי דומה למים הזורמים כלפי מטה במפל. המים מונעים מההבדל באנרגיה הפוטנציאלית הגרוויטציונית, בעוד הזרם של אלקטרונים מונע מההבדל בפוטנציאל האנרגיה החשמלית בין המגיבים. ההבדל בפוטנציאל האנרגיה החשמלית מתואר במונחים של הפרש פוטנציאל, כוח מניע חשמלי או פוטנציאל תאי.הפוטנציאל התאי הוא מידה של כוח מניע בין שני מגיבים והנטייה של אלקטרונים לעבור. הפוטנציאל התאי של שני מגיבים מבודדים נמדד בעזרת מד מתח שנקרא מתח התא. וולט אחד תואם לג'ול של פוטנציאל אנרגיה לקולון אחד של מטען חשמלי.פוטנציאל תאי גבוה מצביע על כוח מניע גדול ועל העברת אלקטרונים ביתר קלות. לבסוף, הפוטנציאל התאי או הכוח האלקטרו מניע תלוי בטבע המגיבים, בטמפרטורת התגובה ובריכוז היונים שנוכחים בתגובה.

כוח אלקטרו מניע

<div style="direction:rtl">חשמל נוצר על ידי אלקטרונים או יונים הזורמים דרך תמיסה או תווך מוליך. זרימה זו של אלקטרונים או מטען חשמלי ספציפית מוגדרת כזרם חשמלי. כאשר אלקטרונים עוברים דרך חוט, הם יוצרים זרם חשמלי. ניתן לזכור שבתגובת חמצון-חיזור, אלקטרונים אובדים ונרכשים. בתגובת חמצון-חיזור הספונטנית של אבץ עם נחושת, כאשר אבץ טובל בתמיסת יוני נחושת, מתרחשת העברה של אלקטרונים מחומר אחד לאחר.
 <img alt="Eq1" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_1.png" style="text-align: center; height: 50px;"> אבץ, בעל נטייה גדולה יותר לאבד אלקטרונים, מתחמצן ליוני אבץ, בעוד שיוני נחושת מופחתים לנחושת מוצקה. עם זאת, תגובה זו אינה מייצרת חשמל. זרם חשמלי וכיצד אלקטרונים זורמים העברת אלקטרונים מתרחשת ישירות מחומר מחזר לחומר מחמצן בתמיסה. גם אם הרכיבים של חצי תגובות מבודדים פיזית בכלים נפרדים ומחוברים באמצעות מוליך חיצוני כגון חוט, הנטייה לאבד ולהשיג אלקטרונים על ידי המגיבים עדיין נמשכת. עם זאת, כעת, אלקטרונים נאלצים לזרום דרך החוט המחבר בין שתי חצי-תגובות. זרימת אלקטרונים זו דרך החוט מהווה זרם חשמלי ויכולה להפעיל מכשירים אלקטרוניים, כגון נורה. זרם חשמלי נמדד באמפר. אמפר אחד שווה לזרימה של קולון אחד של מטען חשמלי בשנייה ושווה ל-6.24 × 10−18 אלקטרונים לשנייה. <img alt="Eq2" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 72px;"> מכיוון שלאלקטרון יש מטען של 1.602 × 10−19 C, 1 אמפר מתאם לזרימה של 6.242 × 1018 אלקטרונים לשנייה. <img alt="Eq3" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_3.png" style="text-align: center; height: 50px;"> כוח מניע עבור זרם חשמלי, הבדל פוטנציאלי ו-EMF זרימת הזרם החשמלי דומה למים הזורמים במורד מפל. המים מונעים מההבדל באנרגית הכבידה הפוטנציאלית, בעוד שזרימת האלקטרונים מונעת מההבדל של האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית בין המגיבים. הבדל זה באנרגיה הפוטנציאלית החשמלית מתואר במונחים הבדל פוטנציאלי, כוח אלקטרו מניע (emf) או פוטנציאל התא. ה-emf הוא מדד לכוח המניע בין שני מגיבים והנטייה להעברת אלקטרונים. חלק מתגובות חמצון-חיזור הן ספונטניות, בעוד שאחרות לא. לדוגמה, חוט נחושת עובר חמצון ספונטני על ידי יוני כסף(I), אך אינו מצליח להניב תגובה כלשהי כאשר הוא שקוע בתמיסה של יוני עופרת(II). הדבר נובע מההבדל בפעילות החמצון-חיזור של שני המינים, Ag+ (aq) and Pb2+ (aq), כלפי נחושת: יון הכסף מחמצן נחושת באופן ספונטני, אך יון העופרת לא. ניתן לכמת את ההבדל הזה בתגובתיות החמצון-חיזור באלקטרוכימיה באמצעות המונח 'פוטנציאל התא'; ידוע גם בשם 'מתח'. פוטנציאל התא של שני מגיבים מבודדים נמדד באמצעות מד מתח, הנקרא מתח התא. וולט אחד מתאם לג'ול אחד של אנרגיה פוטנציאלית לכל קולון אחד של מטען חשמלי. <img alt="Eq4" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_4.png" style="text-align: center; height: 72px;"> פוטנציאל תא גבוה מצביע על כוח מניע גדול וקלות רבה יותר של העברת אלקטרונים. לבסוף, הכוח האלקטרוני, או פוטנציאל התא, תלוי באופי המגיבים, בטמפרטורת התגובה ובריכוז היונים הקיימים בתגובה. טקסט זה מותאם מ<a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-3-electrode-and-cell-potentials">OpenStax, Chemistry 2e, Section 17.3: Electrode and Cell Potentials</a>.</div>

חשמל נוצר על ידי אלקטרונים או יונים הזורמים דרך תמיסה או תווך מוליך. זרימה זו של אלקטרונים או במיוחד חשמליים ...

Education

JoVE Core

Chemistry

כימיה

אחד

Electrochemistry

אלקטרוכימיה

KEY TERMS AND CONCEPTS

מונחים ומושגים מרכזיים

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

chemistry

JoVE Core Chemistry brings general chemistry concepts to life using concise and easy-to-understand animated video lessons. Plus, in the scientist-in-action videos, we demonstrate classical and original research experiments performed in today's laboratories worldwide.

Cell Voltage and Electron Flow

Description

Transcript

Tags