Potenziale cellulare ed energia libera

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.