Celpotentiaal en vrije energie

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.