Name: cell voltage and electron flow
Uploaded: 2020-09-24T15:06:52.000Z
Duration: 2 min 36 s
Channel: JoVE

Kiedy elektrony przepływają przez drut lub jony przepływają przez roztwór, wytwarzają energię elektryczną. Ten przepływ elektronów, a dokładniej ładunek elektryczny, określa się jako prąd elektryczny. Ale co powoduje przepływ elektronów?
Rozważmy reakcję redoks między miedzią a. Kiedy elektroda cynkowa jest umieszczana w roztworze jonów miedzi, elektrony są przenoszone z jednej substancji na drugą. 
, mający większą skłonność do utraty elektronów, utlenia się do jonów, podczas gdy jony miedzi są redukowane do stałej miedzi. W tej reakcji elektrony przepływają od do miedzi, ale ta reakcja nie wytwarza energii elektrycznej. 
Teraz weź pod uwagę, że reagenty, i miedź, są fizycznie oddzielone i połączone za pomocą zewnętrznego przewodnika, takiego jak drut. Tendencja reagentów do pozyskiwania lub tracenia elektronów nadal się utrzymuje, powodując przepływ elektronów przez drut, który łączy dwie półreakcje. 
Ten przepływ elektronów stanowi prąd elektryczny i może zasilać urządzenia elektryczne, takie jak żarówka.
Prąd elektryczny jest mierzony w amperach. Jeden amper jest równy przepływowi jednego kulomba ładunku elektrycznego na sekundę, co odpowiada 6,24 × 1018 elektronów na sekundę.
Przepływ prądu elektrycznego jest podobny do wody spływającej po wodospadzie. Woda jest napędzana przez różnicę grawitacyjnej energii potencjalnej, podczas gdy przepływ elektronów jest napędzany przez różnicę energii potencjału elektrycznego między reagentami. 
Ta różnica w energii potencjału elektrycznego jest opisana terminami różnica potencjałów, siła elektromotoryczna lub potencjał ogniwa. Potencjał komórki jest miarą siły napędowej między dwoma reagentami i tendencji do przenoszenia elektronów.
Potencjał ogniwa dwóch izolowanych reagentów mierzy się woltomierzem, który jest odczytywany w napięciu ogniwa. Jeden wolt koreluje z jednym dżulem energii potencjalnej na jeden kulomb ładunku elektrycznego.
Wysoki potencjał ogniwa wskazuje na dużą siłę napędową i większą łatwość przenoszenia elektronów. Wreszcie, potencjał ogniwa lub siła elektromotoryczna zależy od charakteru reagentów, temperatury reakcji i stężenia jonów obecnych w reakcji.

siła elektromotoryczna

Energia elektryczna jest wytwarzana przez elektrony lub jony przepływające przez roztwór lub ośrodek przewodzący. Ten przepływ elektronów, a konkretnie ładunku elektrycznego, definiuje się jako prąd elektryczny. Kiedy elektrony przemieszczają się przez drut, wytwarzają prąd elektryczny. Można przypomnieć, że w reakcji redoks elektrony są tracone i zyskiwane. W spontanicznej reakcji redoks cynku z miedzią, gdy cynk zanurza się w roztworze jonów miedzi, następuje przeniesienie elektronów z jednej substancji na drugą.

<img alt="Eq1" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_1.png" style="text-align: center; height: 50px;" />

Cynk, mający większą tendencję do utraty elektronów, ulega utlenieniu do jonów cynku, natomiast jony miedzi są redukowane do stałej miedzi. W tej reakcji nie wytwarzany jest jednak prąd.

Prąd elektryczny i przepływ elektronów

Przeniesienie elektronów następuje bezpośrednio ze środka redukującego do środka utleniającego w roztworze. Nawet jeśli składniki reakcji półreakcyjnych są fizycznie odizolowane w oddzielnych naczyniach i połączone zewnętrznym przewodnikiem, takim jak drut, tendencja do utraty i zyskania elektronów przez reagenty nadal się utrzymuje. Teraz elektrony są jednak zmuszone przepływać przez drut łączący dwie reakcje połówkowe. Ten przepływ elektronów przez drut stanowi prąd elektryczny i może zasilać urządzenia elektroniczne, takie jak żarówka. Prąd elektryczny mierzy się w amperach. Jeden amper jest równy przepływowi jednego kulomba ładunku elektrycznego na sekundę i jest równy 6,24 × 10-18 elektronów na sekundę.

<img alt="Eq2" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 72px;" />

Ponieważ elektron ma ładunek 1,602 × 10-19 C, 1 amper odpowiada przepływowi 6,242 × 1018 elektronów na sekundę.

<img alt="Eq3" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_3.png" style="text-align: center; height: 50px;" />

Siła napędowa prądu elektrycznego, różnicy potencjałów i EMF

Przepływ prądu elektrycznego jest podobny do przepływu wody w wodospadzie. Woda napędzana jest różnicą energii potencjalnej grawitacji, podczas gdy przepływ elektronów napędzany jest różnicą energii potencjalnej elektrycznej pomiędzy reagentami. Tę różnicę w potencjalnej energii elektrycznej opisuje się terminami: różnica potencjałów, siła elektromotoryczna (EMF) lub potencjał ogniwa. SEM jest miarą siły napędowej między dwoma reagentami i tendencji do przenoszenia elektronów.

Niektóre reakcje redoks są spontaniczne, inne nie. Na przykład drut miedziany ulega samoistnemu utlenianiu przez jony srebra (I), ale nie powoduje żadnej reakcji po zanurzeniu w roztworze jonów ołowiu (II). Wynika to z różnicy w aktywności redoks dwóch gatunków, Ag+ (aq) i Pb2+ (aq), w stosunku do miedzi: jon srebra spontanicznie utlenia miedź, ale jon ołowiu nie. Tę różnicę w reaktywności redoks w elektrochemii można określić ilościowo za pomocą terminu „potencjał ogniwa”, powszechnie znanego również jako „napięcie”.

Potencjał ogniwa dwóch izolowanych reagentów mierzy się za pomocą woltomierza, który odczytuje napięcie ogniwa. Jeden wolt odpowiada jednemu dżulowi energii potencjalnej na jeden kulomb ładunku elektrycznego.

<img alt="Eq4" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_4.png" style="text-align: center; height: 72px;" />

Wysoki potencjał komórki wskazuje na dużą siłę napędową i większą łatwość przenoszenia elektronów. Wreszcie siła elektromotoryczna, czyli potencjał ogniwa, zależy od charakteru reagentów, temperatury reakcji i stężenia jonów obecnych w reakcji.

Siła elektromotoryczna

Energia elektryczna jest generowana przez elektrony lub jony przepływające przez roztwór lub ośrodek przewodzący. Ten przepływ elektronów, a konkretnie elektryczny ...

Education

JoVE Core

Chemistry

Chemia

Jeden

Electrochemistry

Elektrochemia

KEY TERMS AND CONCEPTS

Kluczowe terminy i pojęcia

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 reaction does not generate useful electricity.

Electricity is produced when the half-reactions are separated into different vessels and linked by an external wire. The tendency for electrons to move from the reducing agent to the oxidizing agent still remains. But now the electrons must travel through the wire instead of moving directly in solution. That forced movement is an electric current, and it can power devices such as a light bulb.

Electric current is measured in amperes. One ampere means one coulomb of charge moves each second. That is equal to about 6.24 × 10^18 electrons per second. Since one electron has a charge of 1.602 × 10^-19 C, the ampere gives a direct measure of electron flow.

The flow of current depends on a driving force, much like water flowing down a waterfall. Water moves because of a difference in gravitational potential energy. Electrons move because of a difference in electrical potential energy between the reactants. This difference is called potential difference, electromotive force, or cell potential.

Electromotive force, or emf, describes the driving force between two reactants and their tendency to transfer electrons. Some redox reactions are spontaneous, but others are not. For example, copper wire is oxidized spontaneously by silver(I) ions, but it does not react with lead(II) ions. That difference shows that silver ions and lead ions do not have the same redox reactivity toward copper.

Cell potential is another name for this redox driving force, and voltage is a common word for it. A voltmeter is used to measure the cell potential of two isolated reactants. The reading is given in volts. One volt equals one joule of potential energy per coulomb of charge. A high cell potential means a strong driving force and easier electron transfer. The electromotive force also depends on the nature of the reactants, the temperature, and the concentration of ions in the reaction.

Cell Voltage and Electron Flow

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

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, 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...

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 reactions create electric current, what cell potential means, and how voltage and emf measure the driving force for electron flow.

Cell Voltage and Electron Flow | 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.

Cell Voltage and Electron Flow

Description

Transcript

Tags