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

Standardowy potencjał komórki wskazuje na spontaniczność reakcji redoks, podobnie jak zmiana standardowej energii swobodnej Gibbsa dla reakcji. Skoro oba terminy są miarą spontaniczności reakcji, to czy są one ze sobą powiązane?
W ogniwie cynkowo-miedzianym galwanicznym potencjał ogniwa wynoszący 1,10 V powoduje przepływ elektronów, który jest maksymalną pracą elektryczną wykonaną przez ogniwo. Wmax jest mierzony w dżulach i jest wyrażony jako iloczyn całkowitego ładunku przeniesionego w kulombach i potencjału ogniwa w woltach.
Całkowity ładunek, q, zależy od n, liczby moli elektronów przenoszonych podczas reakcji. W cynkowo-miedzianym ogniwie galwanicznym 2 mole elektronów są przenoszone z na miedź, więc n = 2. Aby uzyskać całkowity ładunek, N mnoży się przez stałą Faradaya, która jest wielkością ładunku elektrycznego obecnego w 1 molu elektronów: 96 485 kulombów.
W ten sposób maksymalna praca elektryczna wykonywana przez cynkowo-miedziane ogniwo galwaniczne jest określana na podstawie moli elektronów, stałej Faradaya i potencjału ogniwa.
W tym przypadku cała energia potrzebna do pracy elektrycznej jest dostarczana przez samo ogniwo, co powoduje, że system wykonuje pracę w otoczeniu, które jest oznaczone znakiem ujemnym. 
Przypomnijmy, że energia swobodna Gibbsa jest związana z energią reakcji dostępną do wykonania pracy. W warunkach stanu standardowego zmiana energii swobodnej Gibbsa jest miarą największej ilości pracy generowanej w reakcji.
W ten sposób maksymalna praca może zostać zastąpiona przez ΔG, co pozwala na określenie zmiany energii swobodnej reakcji elektrochemicznej. 
W przypadku reakcji-miedź ΔG wynosi −212 kilodżuli, co wskazuje, że jest spontaniczna. Dla porównania, reakcja redoks niklowo-manganowa o standardowym potencjale ogniwa -0,93 V daje wartość +179 kilodżuli, co wskazuje, że jest niespontaniczna.
Standardowa zmiana energii swobodnej jest również związana ze stałą równowagi K. Duża stała równowagi wskazuje, że reakcja zachodzi po stronie produktu korelując z ujemną wartością ΔG i odwrotnie. 
Biorąc pod uwagę ich stosunek do ΔG, standardowy potencjał komórki i stała równowagi są również powiązane. Zależność tę wyprowadza się, rozwiązując to równanie dla potencjału komórki i podstawiając ΔG stałą gazową, temperaturą i logarytmem naturalnym K.

potencjał komórki i swobodna energia

Cell Potential and Free Energy

Termodynamika reakcji redoks

Termodynamika to dział fizyki zajmujący się związkami pomiędzy ciepłem i innymi formami energii. W ogniwie elektrochemicznym energia chemiczna jest przekształcana w energię elektryczną.

W ten sposób można przewidzieć związek między potencjałem komórki, zmianą energii swobodnej i stałą równowagi reakcji. Potencjał komórkowy można również zmierzyć jako utleniacz lub siłę redukującą, a podobne miary siły kwasowo-zasadowej znajdują odzwierciedlenie w stałych równowagi.

Energia swobodna Gibbsa i związek między ogniwem E° a ΔG°

Energia swobodna Gibbsa to wielkość używana do obliczenia maksymalnej ilości odwracalnej pracy wykonanej przez układ termodynamiczny utrzymywany w stałych warunkach temperatury i ciśnienia. Jest to oznaczone symbolem G, a jego zmiana jest reprezentowana jako ∆G. Standardową zmianę energii swobodnej układu, ΔG°, definiuje się jako maksymalną pracę wykonaną przez układ, wmax. W przypadku reakcji redoks zachodzącej w ogniwie galwanicznym w standardowych warunkach cała wykonana praca związana jest z przeniesieniem elektronu ze środka redukującego do utleniacza, welec. Zatem,

<img alt="Eq1" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_1.png" style="text-align: center; height: 50px;" />

Każda praca związana z przeniesieniem elektronu zależy od ładunku przenoszonego w kulombach, a także od potencjału ogniwa:

<img alt="Eq2" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 50px;" />

gdzie n = liczba moli przeniesionych elektronów, F to stała Faradaya, która reprezentuje ładunek kulombowski 1 mola elektronów, a E°cell to standardowy potencjał komórki. Zależność pomiędzy ΔG° i ΔE°cell potwierdza konwencje znaków i kryteria spontaniczności reakcji. Spontaniczne reakcje redoks mają dodatni potencjał i ujemne wartości swobodnej energii.

Związek między E°cell i K

Standardowa zmiana energii swobodnej ΔG° jest powiązana ze stałą równowagi K reakcji redoks w następujący sposób:

<img alt="Eq3" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_3.png" style="text-align: center; height: 50px;" />

Połączenie wcześniej wyprowadzonej zależności pomiędzy ΔG° i K oraz równania odnoszącego się do ΔG° i E°ogniwa daje następujący wynik:

<img alt="Eq4" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_4.png" style="text-align: center; height: 50px;" />

Dlatego,

<img alt="Eq5" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_5.png" style="text-align: center; height: 75px;" />

Równanie to wskazuje, że reakcje redoks o dużych lub dodatnich standardowych potencjałach komórkowych będą postępować ku końcowi, osiągając równowagę, gdy większość reagentów zostanie przekształcona w produkt.

Reakcje niespontaniczne lub reakcje przebiegające w odwrotnych kierunkach wykazują ujemne potencjały komórek, dodatnie wartości energii swobodnej i stałą równowagi mniejszą niż jeden. Stała równowagi wynosząca jeden, a potencjał komórki i wartości energii swobodnej równe zero są związane z reakcją w równowadze w standardowych warunkach.

Zależność między potencjałem ogniwa w warunkach standardowych a stałymi termodynamicznymi ΔG° i K można wyjaśnić poniższym rysunkiem:

<img alt="Image1" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Image_1.png" style="text-align: center; height: 250px;" />

Rysunek 1: Grafika przedstawiająca związek pomiędzy trzema ważnymi właściwościami termodynamicznymi.

Potencjał komórki i swobodna energia

Termodynamika reakcji redoks
Termodynamika to gałąź fizyki zajmująca się relacjami między ciepłem a innymi formami energii. W ...

Education

JoVE Core

Chemistry

Chemia

Jeden

Electrochemistry

Elektrochemia

KEY TERMS AND CONCEPTS

Kluczowe terminy i pojęcia

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