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

Quando gli elettroni fluiscono attraverso un filo, o gli ioni fluiscono attraverso una soluzione, generano elettricità. Questo flusso di elettroni, o, più specificamente, di carica elettrica, è definito come una corrente elettrica. Ma cosa fa fluire gli elettroni?

Considerate una reazione redox fra rame e zinco. Quando un elettrodo di zinco è inserito in una soluzione di ioni di rame, gli elettroni vengono trasferiti da una sostanza all'altra. Lo zinco, avendo una maggiore tendenza a perdere elettroni, viene ossidato a ioni di zinco, mentre gli ioni di rame vengono ridotti a rame solido.

In questa reazione, gli elettroni fluiscono dallo zinco al rame, ma questa reazione non genera elettricità. Ora, considerate che i reagenti, zinco e rame, siano fisicamente separati e collegati tramite un conduttore esterno, come un filo. La tendenza dei reagenti ad accettare o perdere elettroni persiste ancora, spingendo gli elettroni a fluire attraverso il filo, che collega le due semireazioni.

Questo flusso di elettroni costituisce una corrente elettrica e può alimentare apparecchi elettrici, come una lampadina. La corrente elettrica è misurata in ampere. Un ampere è uguale al flusso di un coulomb di carica elettrica al secondo, corrispondente a 6, 24 10¹⁸ elettroni al secondo.

Il flusso di corrente elettrica è simile all'acqua che scorre lungo una cascata. L'acqua è guidata dalla differenza di energia potenziale gravitazionale, mentre il flusso di elettroni è guidato dalla differenza di energia potenziale elettrica fra i reagenti. Questa differenza di energia potenziale elettrica è descritta dai termini differenza di potenziale, forza elettromotrice o potenziale cellulare.

Il potenziale cellulare è una misura della forza motrice fra due reagenti e la tendenza al trasferimento di elettroni. Il potenziale di cella di due reagenti isolati viene misurato con un voltmetro, che viene letto in tensione di cella. Un volt è correlato a un joule di energia potenziale per un coulomb di carica elettrica.

Un potenziale cellulare elevato indica una grande forza motrice ed una maggiore facilità di trasferimento degli elettroni. Infine, il potenziale cellulare, o forza elettromotrice, dipende dalla natura dei reagenti, dalla temperatura di reazione, e dalla concentrazione di ioni presenti nella reazione.

forza elettromotiva

L'elettricità è generata da elettroni o ioni che fluiscono attraverso una soluzione o un mezzo conduttore. Questo flusso di elettroni o di carica specificamente elettrica è definito corrente elettrica. Quando gli elettroni si muovono attraverso un filo, generano una corrente elettrica. Ricorda che in una reazione redox, gli elettroni vengono persi e acquistati. Nella reazione redox spontanea dello zinco con il rame, quando lo zinco viene immerso in una soluzione di ioni rame, si verifica un trasferimento di elettroni da una sostanza all'altra.

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Lo zinco, avendo una maggiore tendenza a perdere elettroni, viene ossidato a ioni zinco, mentre gli ioni rame vengono ridotti a rame solido. Tuttavia, questa reazione non genera elettricità.

Corrente elettrica e flusso degli elettroni

Il trasferimento di elettroni avviene direttamente da un agente riducente a un agente ossidante in una soluzione. Anche se i componenti delle semireazioni sono fisicamente isolati in recipienti separati e collegati tramite un conduttore esterno come un filo, la tendenza a perdere e ad acquistare elettroni da parte dei reagenti persiste ancora. Tuttavia, ora, gli elettroni sono costretti a fluire attraverso il filo che collega le due semireazioni. Questo flusso di elettroni attraverso il filo costituisce una corrente elettrica e può alimentare apparecchi elettronici, come una lampadina. La corrente elettrica si misura in ampere. Un ampere equivale al flusso di un coulomb di carica elettrica al secondo ed è pari a 6,24 × 10^−18 elettroni al secondo.

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Poiché un elettrone ha una carica di 1,602 × 10^−19 C, 1 ampere è correlato al flusso di 6,242 × 10^18 elettroni al secondo.

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Forza motrice per corrente elettrica, differenza di potenziale e fem

Il flusso della corrente elettrica è simile all’acqua che scorre lungo una cascata. L'acqua è guidata dalla differenza di energia potenziale gravitazionale, mentre il flusso di elettroni è guidato dalla differenza di energia potenziale elettrica tra i reagenti. Questa differenza nell'energia potenziale elettrica è descritta dai termini differenza di potenziale, forza elettromotrice (fem) o potenziale cellulare. La fem è una misura della forza motrice tra due reagenti e della tendenza al trasferimento di elettroni.

Alcune reazioni redox sono spontanee, mentre altre no. Ad esempio, un filo di rame subisce un'ossidazione spontanea da parte degli ioni argento (I), ma non produce alcuna reazione se immerso in una soluzione di ioni piombo (II). Ciò è dovuto alla differenza nell'attività redox delle due specie, Ag^+ (aq) e Pb^2+ (aq), nei confronti del rame: lo ione argento ossida spontaneamente il rame, ma lo ione piombo no. Questa differenza nella reattività redox in elettrochimica può essere quantificata usando il termine “potenziale cellulare”; comunemente noto anche come “tensione”.

Il potenziale di cella di due reagenti isolati viene misurato con un voltmetro, che viene letto in tensione di cella. Un volt è correlato a un joule di energia potenziale per un coulomb di carica elettrica.

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Un potenziale cellulare elevato indica una grande forza motrice e una maggiore facilità di trasferimento degli elettroni. Infine, la forza elettromotrice, o potenziale cellulare, dipende dalla natura dei reagenti, dalla temperatura di reazione e dalla concentrazione di ioni presenti nella reazione.

Questo testo è adattato da <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>.

Forza elettromotiva

L'elettricità è generata da elettroni o ioni che fluiscono attraverso una soluzione o un mezzo conduttore. Questo flusso di elettroni o specificamente elettrico ...

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Elettrochimica

KEY TERMS AND CONCEPTS

TERMINI E CONCETTI CHIAVE

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: Chimica illustra concetti chiave di chimica attraverso video animazioni concise e di immediata comprensione. Inoltre, i video della sezione "scienziati in azione" mostrano procedure metodologiche realizzate da ricercatori provenienti dai migliori laboratori internazionali.

Cell Voltage and Electron Flow

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