Potencjał komórki i swobodna energia

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. W_max 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.