電極電位と自由エネルギー

標準細胞電位は酸化還元反応の自発性を示しており、反応の標準ギブス自由エネルギーの変化も同様です。どちらの用語も反応自発性の尺度であるため、それらは互いに関連していますか?

亜鉛-銅ガルバニックセルでは、1.10ボルトのセル電位が電子の流れを引き起こし、これはセルによって行われる最大の電気的仕事です。W_Maxはジュールで測定され、クーロンで転送された総電荷とボルト単位のセル電位の積として表されます。

総電荷qは、反応中に転送される電子のモル数であるnに依存します。亜鉛-銅ガルバニ電池では、2モルの電子が亜鉛から銅に移動するため、n = 2です。総電荷を求めるには、Nにファラデー定数(1モルの電子に存在する電荷の大きさである96,485クーロン)を掛けます。

したがって、亜鉛-銅ガルバニックセルによって実行される最大電気仕事は、電子のモル、ファラデー定数、およびセル電位から決定されます。

ここでは、電気工事のすべてのエネルギーはセル自体によって供給されるため、システムは負の符号で示される周囲で作業を行います。

ギブスの自由エネルギーは、仕事を実行するために利用可能な反応のエネルギーに関連付けられていることを思い出してください。標準状態の条件下では、ギブス自由エネルギーの変化は、反応で生成される最大仕事量の尺度です。

したがって、最大仕事量をΔGに置き換えることができ、電気化学反応の自由エネルギー変化を決定することができます。

亜鉛-銅反応の場合、ΔGは-212キロジュールであり、自発的であることを示しています。これに対し、標準セル電位が-0.93ボルトのニッケル-マンガン酸化還元反応は、+179キロジュールの値をもたらし、非自発的であることを示しています。

標準自由エネルギー変化は、平衡定数Kにも関連しています。平衡定数が大きい場合は、反応が負のΔG値と相関する製品側にあり、その逆も同様であることを示しています。

ΔGとの関係を考えると、標準セル電位と平衡定数も関連しています。この関係は、セル電位についてこの方程式を解き、ΔGをガス定数、温度、およびKの自然対数に代入することによって導き出されます。