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

Il potenziale cellulare standard indica la spontaneità di una reazione redox, così come il cambiamento nell'energia libera standard di Gibbs per una reazione. Poiché ambo i termini sono una misura della spontaneità della reazione, sono correlati fra loro? In una cella galvanica zinco-rame, il potenziale della cella di 1, 10 volt provoca un flusso di elettroni, il quale corrisponde al lavoro elettrico massimo svolto dalla cella.

w_max è misurato in joule ed è espresso come il prodotto della carica totale trasferita in coulomb e il potenziale della cella in volt. La carica totale, q, dipende da n, il numero di moli di elettroni trasferiti durante la reazione. Nella cella galvanica zinco-rame, 2 moli di elettroni sono trasferite dallo zinco al rame, quindi n è uguale a 2.

Per ottenere la carica totale, N viene moltiplicato per la costante di Faraday, che è l'ampiezza della carica elettrica presente in 1 mole di elettroni:96.485 coulomb. Pertanto, il lavoro elettrico massimo eseguito dalla cella galvanica zinco-rame è determinato dalle moli di elettroni, dalla costante di Faraday, e dal potenziale della cella. Qui, tutta l'energia per il lavoro elettrico è fornita dalla cella stessa, con il risultato che il sistema esegue un lavoro sull'ambiente che è indicato da un segno negativo.

Si ricordi che l'energia libera di Gibbs è associata all'energia di una reazione disponibile per eseguire il lavoro. In condizioni di stato standard, la variazione nell'energia libera di Gibbs è una misura della massima quantità di lavoro generata in una reazione. Pertanto, il lavoro massimo può essere sostituito con ΔG, consentendo di determinare la variazione di energia libera di una reazione elettrochimica.

Per la reazione zinco-rame, ΔG è 212 kilojoule, indicando che è spontanea. A confronto, una reazione redox nichel-manganese con un potenziale di cella standard di 0, 93 volt produce un valore di 179 kilojoule, indicando che non è spontanea. La variazione standard dell'energia libera è anche correlata alla costante di equilibrio, K.Una grande costante di equilibrio indica che la reazione si trova sul lato del prodotto correlato con un valore ΔG negativo e viceversa.

Data la loro relazione con ΔG, anche il potenziale della cella standard e la costante di equilibrio sono correlati. Questa relazione è dimostrata risolvendo questa equazione di potenziale della cella, e sostituendo ΔG con la costante del gas, la temperatura e il logaritmo naturale di K.

potenziale cellulare ed energia libera

Cell Potential and Free Energy

Termodinamica di una reazione Redox

La termodinamica è la branca della fisica che si occupa della relazione tra il calore e altre forme di energia. In una cella elettrochimica l’energia chimica viene convertita in energia elettrica.

Pertanto, è possibile prevedere un collegamento tra potenziale cellulare, variazione di energia libera e costante di equilibrio della reazione. Il potenziale cellulare può anche essere misurato come forza ossidante o riducente, e misure simili di forza acido-base si riflettono nelle costanti di equilibrio.

Energia libera di Gibbs e relazione tra E°_cella e ΔG°

L'energia libera di Gibbs è una quantità utilizzata per calcolare la quantità massima di lavoro reversibile compiuto da un sistema termodinamico mantenuto in condizioni di temperatura e pressione costanti. È indicato con il simbolo G e la sua variazione è rappresentata come ∆G. La variazione di energia libera standard di un sistema, ΔG°, è definita come il lavoro massimo svolto da un sistema, w_max. Per una reazione redox che avviene all'interno di una cella galvanica in condizioni standard, tutto il lavoro svolto è associato al trasferimento di elettroni dall'agente riducente all'agente ossidante, w_elec. Così,

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Tuttavia, qualsiasi lavoro associato al trasferimento di elettroni dipende dalla carica trasferita in Coulomb e dal potenziale della cella:

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dove n = numero di moli di elettroni trasferiti, F è la costante di Faraday, che rappresenta la carica coulombiana di 1 mole di elettroni, ed E°_cell è il potenziale di cella standard. La relazione tra ΔG° e ΔE°_cella conferma le convenzioni di segno ed i criteri di spontaneità della reazione. Le reazioni redox spontanee hanno potenziale positivo e valori negativi di energia libera.

Relazione tra E°_cella e K

La variazione standard di energia libera ΔG° è correlata alla costante di equilibrio K di una reazione redox come segue:

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Combinando una relazione precedentemente derivata tra ΔG° e K e l'equazione relativa a ΔG° ed E°_cella si ottiene quanto segue:

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Perciò,

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Questa equazione indica che le reazioni redox con potenziali cellulari standard grandi o positivi procederanno verso il completamento, raggiungendo l'equilibrio quando la maggior parte dei reagenti sarà stata convertita nel prodotto.

Le reazioni non spontanee o le reazioni che procedono in direzioni inverse mostrano potenziali cellulari negativi, valori di energia libera positivi e una costante di equilibrio inferiore a uno. Una costante di equilibrio pari a uno e valori di potenziale cellulare ed energia libera pari a zero sono associati a una reazione in equilibrio in condizioni standard.

La relazione tra il potenziale della cella in condizioni standard e le costanti termodinamiche ΔG° e K può essere spiegata dalla figura seguente:

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Figure 1: grafico che rappresenta la relazione tra tre importanti proprietà termodinamiche.

Questo testo è adattato da <a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-4-potential-free-energy-and-equilibrium">Openstax,Chemistry 2e, Section 17.4: Potential, Free Energy, and Equilibrium</a>.

Potenziale cellulare ed energia libera

Termodinamica di una reazione redox
La termodinamica è la branca della fisica che si occupa della relazione tra il calore e altre forme di energia. In un ...

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TERMINI E CONCETTI CHIAVE

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.

Redox Cell Potential, ΔG°, and K | 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.

Redox Cell Potential, ΔG°, and K

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