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

Het standaard celpotentiaal geeft de spontaniteit van een redoxreactie aan, evenals de verandering in standaard Gibbs vrije energie voor een reactie. Aangezien beide termen een maatstaf zijn voor spontaniteit van reacties, zijn ze dan gerelateerd aan elkaar? In een zink-koper galvanische cel veroorzaakt het celpotentiaal van 1, 10 volt een elektronenstroom, wat het maximale elektrische werk is dat door de cel wordt gedaan.w_max wordt gemeten in joules en wordt uitgedrukt als het product van de totale overgedragen lading in coulomb en de celpotentiaal in volt. De totale lading, q, hangt af van n, het aantal mol elektronen dat tijdens de reactie wordt overgedragen. In de zink-koper galvanische cel worden 2 mol elektronen overgedragen van zink naar koper, dus n is gelijk aan 2.Om de totale lading te krijgen, wordt N vermenigvuldigd met de constante van Faraday, de grootte van de elektrische lading die aanwezig is in 1 mol elektronen:96.485 coulomb. Het maximale elektrische werk dat door de zink-koper-galvanische cel wordt uitgevoerd, wordt dus bepaald uit het aantal mol elektronen, de constante van Faraday en de celpotentiaal. Hier wordt alle energie voor het elektrische werk geleverd door de cel zelf, waardoor het systeem werkzaamheden aan de omgeving uitvoert die worden aangegeven met een negatief teken.Bedenk dat Gibbs vrije energie wordt geassocieerd met de energie van een reactie die beschikbaar is om werk uit te voeren. Onder standaardcondities is de verandering in Gibbs vrije energie een maat voor de grootste hoeveelheid werk die in een reactie wordt gegenereerd. Het maximale werk kan dus worden vervangen door ΔG, waardoor de vrije energieverandering van een elektrochemische reactie kan worden bepaald.Voor de zink-koperreactie is ΔG 212 kilojoules, wat aangeeft dat het spontaan is. Ter vergelijking:een nikkel-mangaan-redoxreactie met een standaard celpotentiaal van 0, 93 volt levert een waarde op van 179 kilojoule, wat aangeeft dat het niet spontaan is. De standaard vrije energieverandering is ook gerelateerd aan de evenwichtsconstante K.Een grote evenwichtsconstante geeft aan dat de reactie ligt op de productzijde die correleert met een negatieve AG-waarde, en vice versa.Gezien hun relatie tot AG, zijn de standaardcelpotentiaal en de evenwichtsconstante ook gerelateerd. Deze relatie wordt afgeleid door deze vergelijking voor de celpotentiaal op te lossen en ΔG te vervangen door de gasconstante, temperatuur en de natuurlijke log van K.

celpotentiaal en vrije energie

Cell Potential and Free Energy

Thermodynamica van een redoxreactie Thermodynamica is de tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met de relatie tussen warmte en andere vormen van energie. In een elektrochemische cel wordt chemische energie omgezet in elektrische energie. Er kan dus een verband worden voorspeld tussen het celpotentiaal, de verandering van de vrije energie en de evenwichtsconstante voor de reactie. Het celpotentiaal kan ook worden gemeten als de oxidant- of de reducerende sterkte, en soortgelijke metingen van de zuur-base-sterkte worden weerspiegeld in evenwichtsconstanten. Gibbs’ vrije energie en de relatie tussen E°cell  en ΔG° De vrije energie van Gibbs is een hoeveelheid die wordt gebruikt om de maximale hoeveelheid omkeerbare arbeid te berekenen die wordt uitgevoerd door een thermodynamisch systeem dat bij constante temperatuur- en drukomstandigheden wordt gehouden. Het wordt aangegeven met het symbool G, en de verandering ervan wordt weergegeven als ∆G. De standaard vrije energieverandering van een systeem, ΔG°, wordt gedefinieerd als de maximale arbeid die door een systeem wordt verricht, wmax. Voor een redoxreactie die onder standaardomstandigheden in een galvanische cel plaatsvindt, wordt al het verrichte werk geassocieerd met de overdracht van elektronen van het reductiemiddel naar het oxidatiemiddel, welec. Dus, <img alt="Eq1" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_1.png" style="text-align: center; height: 50px;"> Alle werkzaamheden die verband houden met elektronenoverdracht zijn echter afhankelijk van de lading die in Coulombs wordt overgedragen, evenals van het celpotentiaal: <img alt="Eq2" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 50px;"> waarbij n = het aantal mol overgedragen elektronen, F de constante van Faraday is, die de coulombische lading van 1 mol elektronen vertegenwoordigt, en E°cell het standaard celpotentiaal is. De relatie tussen ΔG° en ΔE°cel bevestigt de tekenconventies en de criteria voor reactiespontaniteit. Spontane redoxreacties hebben een positief potentiaal en negatieve waarden van vrije energie. Relatie tussen E°cell en K De standaard vrije energieverandering ΔG° houdt als volgt verband met de evenwichtsconstante K van een redoxreactie: <img alt="Eq3" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_3.png" style="text-align: center; height: 50px;"> Het combineren van een eerder afgeleide relatie tussen ΔG° en K en de vergelijking met betrekking tot ΔG° en E°cell levert het volgende op: <img alt="Eq4" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_4.png" style="text-align: center; height: 50px;"> Daarom, <img alt="Eq5" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_5.png" style="text-align: center; height: 75px;"> Deze vergelijking geeft aan dat redoxreacties met grote of positieve standaardcelpotentialen hun voltooiing zullen bereiken en een evenwicht zullen bereiken wanneer de meeste reactanten in product zijn omgezet. Niet-spontane reacties of reacties die in omgekeerde richting verlopen, vertonen negatieve celpotentialen, positieve vrije energiewaarden en een evenwichtsconstante van minder dan één. Een evenwichtsconstante van één en celpotentiaal en vrije energiewaarden gelijk aan nul gaan gepaard met een reactie onder evenwicht onder standaardomstandigheden. De relatie tussen het celpotentiaal onder standaardomstandigheden en de thermodynamische constanten ΔG° en K kan worden verklaard door de onderstaande figuur: <img alt="Image1" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Image_1.png" style="text-align: center; height: 250px;"> Figuur 1: Grafische weergave van de relatie tussen drie belangrijke thermodynamische eigenschappen.

Celpotentiaal en vrije energie

Thermodynamics of a Redox Reaction
Thermodynamics is the branch of physics dealing with the relationship between heat and other forms of energy. In an ...

Education

JoVE Core

Chemistry

Scheikunde

Eén

Electrochemistry

Elektrochemie

KEY TERMS AND CONCEPTS

BELANGRIJKE TERMEN EN CONCEPTEN

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 Chemistry brings general chemistry concepts to life using concise and easy-to-understand animated video lessons. Plus, in the scientist-in-action videos, we demonstrate classical and original research experiments performed in today's laboratories worldwide.

Redox Cell Potential, ΔG°, and K

Description

Transcript

Tags