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

표준 전지 전위는 산화환원 반응의 자발성을 나타내며 반응에 대한 표준 깁스 자유 에너지의 변화도 마찬가지입니다. 두 항 모두 반응의 자발성의 척도임에 따라 서로 관련이 있습니까? 아연-구리 갈바닉 전지에서 전위가 1.10 볼트이면 전자의 흐름게 됩니다.

이것은 전지에 의해 행해진 최대 전기 작업입니다. w_max는 줄 단위로 측정되며 쿨롱으로 전송된 총 전하와 볼트로 전송된 전위 전위의 산물로 표현됩니다. 총 전하 q는 반응 중에 전달된 전자의 몰 수 n에 의존합니다.

아연-구리 갈바닉 전지에서, 2몰의 전자가 아연에서 구리로 전달되었으며 따라서 n은 2와 같습니다. 총 전하를 얻기 위해, N을 전자의 1 몰에 존재하는 전하의 크기인, 크기가 96, 485 쿨롱인 패러데이의 상수와 곱합니다. 따라서, 아연-구리 갈바닉 전지로 수행하는 최대 전기적 일은 전자의 몰 수, 패러데이의 상수, 그리고 전지 전위로부터 결정됩니다.

여기서 전기적 일에 드는 모든 에너지는 전지 자체에서 공급되어 가 음의 기호로 표시된 주변 환경에 대한 일을 수행하게 합니다. 깁스 자유 에너지는 일을 수행하는 데 사용할 수 있는 반응의 에너지와 관련이 있음을 상기하십시오. 표준 상태 조건에서 깁스 자유 에너지의 변화는 반응에서 발생하는 가장 많은 일을 측정하는 지표입니다.

따라서 최대 일은 델타G로 대체될 수 있으며 이로부터 전기 화학 반응의 자유 에너지 변화를 결정할 수 있습니다. 아연 구리 반응의 경우 델타G는 212 킬로줄이며 따라서 자발적 반응입니다. 이에 비해 표준 전위가 0.93 볼트인 니켈-망간 산화환원 반응은 179 킬로줄의 값을 산출하며 따라서 이 반응은 비자발적입니다.

표준 자유 에너지 변화는 평형 상수 K와도 관련이 있습니다. 평형 상수가 클수록 반응이 음의 델타G 값과 상관되는 생성물 측에 있다는 것을 나타내며 그 반대 경우도 성립합니다. 델타G와의 관계를 고려할 때 표준 전지 전위와 평형 상수 또한 서로 관련이 있습니다.

이 관계는 전지 전위에 대한 이 방정식을 풀고 델타G를 기체 상수, 온도, K의 자연 로그로 대체함으로써 얻을 수 있습니다.

세포 전위와 자유 에너지

Cell Potential and Free Energy

산화환원 반응의 열역학

열역학은 열과 다른 형태의 에너지 사이의 관계를 다루는 물리학의 한 분야입니다. 전기화학 전지에서는 화학 에너지가 전기 에너지로 변환됩니다.

따라서 세포 전위, 자유 에너지 변화 및 반응의 평형 상수 사이의 연관성을 예측할 수 있습니다. 세포 전위는 산화제 또는 환원 강도로 측정할 수도 있으며 유사한 산-염기 강도 측정값이 평형 상수에 반영됩니다.

깁스 자유 에너지와 E°_cell과 ΔG°의 관계

깁스 자유 에너지는 일정한 온도와 압력 조건에서 유지되는 열역학 시스템이 수행하는 가역적 일의 최대량을 계산하는 데 사용되는 양입니다. 기호 G로 표시하고, 그 변화는 ΔG로 표시합니다. 시스템의 표준 자유 에너지 변화 ΔG°는 시스템이 수행한 최대 작업 w_max로 정의됩니다. 표준 조건 하에서 갈바니 전지 내에서 일어나는 산화환원 반응의 경우, 수행되는 모든 작업은 환원제에서 산화제로의 전자 이동과 관련됩니다 w_elec. 따라서,

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그러나 전자 전달과 관련된 모든 작업은 쿨롱으로 전달된 전하와 전지 전위에 따라 달라집니다.

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여기서 n은 전달된 전자의 몰수, F는 전자 1몰의 쿨롱 전하를 나타내는 패러데이 상수, E°_cell은 표준 전지 전위입니다. ΔG°와 ΔE°_cell 사이의 관계는 기호 규칙과 반응 자발성에 대한 기준을 확인합니다. 자발적인 산화환원 반응은 자유 에너지의 양의 전위 값과 음의 값을 갖습니다.

E°_cell과 K의 관계

표준 자유 에너지 변화 ΔG°는 다음과 같이 산화환원 반응의 평형 상수 K와 관련됩니다.

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이전에 도출된 ΔG°와 K 간의 관계와 ΔG° 및 E°_cell과 관련된 방정식을 결합하면 다음이 생성됩니다.

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그러므로,

<img alt="Eq5" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_5.png" style="text-align: center; height: 75px;" />

이 방정식은 크거나 양의 표준 전지 전위를 갖는 산화환원 반응이 완료를 향해 진행되어 대부분의 반응물이 생성물로 전환될 때 평형에 도달함을 나타냅니다.

비자발적 반응이나 역방향으로 진행되는 반응은 음의 세포 전위, 양의 자유 에너지 값 및 1 미만의 평형 상수를 나타냅니다. 1의 평형 상수와 0의 셀 전위 및 자유 에너지 값은 표준 조건에서 평형 상태에서의 반응과 연관됩니다.

표준 조건 하의 전지 전위와 열역학적 상수 ΔG° 및 K 사이의 관계는 아래 그림으로 설명할 수 있습니다.

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Figure 1: 세 가지 중요한 열역학적 특성 간의 관계를 묘사한 그래픽.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 <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>.

산화 환원 반응의 열역학
열역학은 열과 다른 형태의 에너지 사이의 관계를 다루는 물리학의 한 분야입니다. 에서 ...

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주요 용어 및 개념

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 화학은 간결하고 이해하기 쉬운 애니메이션을 통해 일반 화학 개념을 설명합니다. 또한, 과학자가 직접 고전실험과 연구실험을 진행하는 실사 영상을 제공합니다.

Redox Cell Potential, ΔG°, and K

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