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

Quando os elétrons fluem através de um fio, ou os íons fluem através de uma solução, geram eletricidade. Este fluxo de elétrons, ou, mais especificamente, carga elétrica, é definido como corrente elétrica. Mas o que leva a que os elétrons a fluírem, consideremos uma reação redox entre o cobre e o zinco.Quando é colocado um elétrodo de zinco numa solução de íons de cobre, os elétrons são transferidos de uma substância para a outra. O zinco, tendo uma tendência maior para a perda de elétrons, é oxidado até aos íons de zinco, enquanto os íons de cobre são reduzidos a cobre sólido. Nesta reação, os elétrons fluem do zinco para o cobre, mas esta reação não gera eletricidade.Agora, consideremos que os reagentes, zinco e cobre, estão fisicamente separados e ligados através de um condutor, tal como um fio. A tendência dos reagentes para ganhar ou perder elétrons ainda persiste, levando os elétrons a fluírem através do fio, que liga as duas semirreações. Este fluxo de elétrons constitui uma corrente elétrica e pode ligar aparelhos elétricos tal como uma lâmpada.A corrente elétrica é medida em amperes. Um ampere é igual ao fluxo de um coulomb de carga elétrica por segundo, correspondente a 6, 24 10¹⁸ elétrons por segundo. O fluxo de corrente elétrica é semelhante ao fluxo de água numa cascata.A água é conduzida pela diferença da energia gravitacional potencial, enquanto o fluxo de elétrons são conduzidos pela diferença da energia elétrica potencial entre os reagentes. Esta diferença na energia elétrica potencial é descrita pelos termos de diferença potencial, força eletromotriz, ou potencial celular. O potencial celular é uma medida da força motriz entre dois reagentes e a tendência para a transferência de elétrons.O potencial celular de dois reagentes isolados é medido com um voltímetro, que é lido na voltagem da célula. Um volt está correlacionado com um joule de energia potencial por unidade coulomb de carga elétrica. Um elevado potencial celular indica uma grande força motriz e maior facilidade de transferência de elétrons.Finalmente, o potencial celular, ou força eletromotriz, depende da natureza dos reagentes, temperatura de reação, e da concentração de íons presentes na reação.

força eletromotriz

A eletricidade é gerada por eletrões ou iões que fluem através de uma solução ou um meio condutor. Este fluxo de eletrões ou carga elétrica específica é definido como uma corrente elétrica. Quando os eletrões se deslocam através de um fio, geram uma corrente elétrica. Pode-se lembrar  que em uma reação redox, eletrões são perdidos e adquiridos. Na reação redox espontânea do zinco  com cobre, quando o zinco é imerso em uma solução de iões de cobre, ocorre uma transferência de eletrões de uma substância para outra.
<img alt="Eq1" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_1.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
O zinco, com maior tendência para perder eletrões, é oxidado em iões de zinco, enquanto que os iões de cobre são reduzidos para cobre sólido. No entanto, esta reação não gera eletricidade.
Corrente Elétrica e Como Fluem os Eletrões
A transferência de eletrões ocorre diretamente de um agente redutor para um agente oxidante em uma solução. Mesmo que os componentes das semi-reações estejam fisicamente isolados em recipientes separados e conectados por um condutor externo, como um fio, a tendência de perder e ganhar eletrões pelos reagentes ainda persiste. No entanto, os eletrões são assim forçados a fluir através do fio que liga as duas semi-reações. Este fluxo de eletrões através do fio constitui uma corrente elétrica e pode alimentar aparelhos eletrónicos, como uma lâmpada. A corrente elétrica é medida em amperes. Um ampere é igual ao fluxo de um  coulomb de carga elétrica por segundo e é igual a 6,24 × 10−18 eletrões por segundo.
<img alt="Eq2" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 72px;" />
Uma vez que um eletrão tem uma carga de 1,602 × 10−19 C, 1 ampere correlaciona-se com o fluxo de 6,242 × 1018 eletrões por segundo.
<img alt="Eq3" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_3.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
Força Motriz para Corrente Elétrica, Diferença de Potencial, e Emf
O fluxo de corrente elétrica é semelhante ao fluxo de água através de uma cascata. A água é impulsionada pela diferença na energia potencial gravitacional, enquanto que o fluxo de eletrões é impulsionado pela diferença da energia potencial elétrica entre os reagentes. Essa diferença na energia de potencial elétrico é descrita pelos termos diferença de potencial, força eletromotriz (emf), ou potencial da célula. A emf é uma medida da força motriz entre dois reagentes e a tendência para transferência de eletrões.
Algumas reações redox são espontâneas, enquanto que outras não são. Por exemplo, um fio de cobre sofre oxidação espontânea por iões de prata(I), mas não produz qualquer reação quando imerso em uma solução de iões de chumbo(II). Isto deve-se à diferença na atividade redox das duas espécies, Ag+ (aq) e Pb2+ (aq), em relação ao cobre: o ião de prata oxida espontaneamente o cobre, mas o ião de chumbo não. Esta diferença na reatividade redox em eletroquímica pode ser quantificada utilizando o termo ‘potencial de célula’; também conhecido como ‘voltagem’.
O potencial da célula de dois reagentes isolados é medido com um voltímetro, que é lido em voltagem da célula. Um volt correlaciona-se a um joule de energia potencial por um coulomb de carga elétrica.
<img alt="Eq4" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_4.png" style="text-align: center; height: 72px;" />
Um potencial de célula alto indica uma grande força motriz e maior facilidade de transferência de eletrões. Por fim, a força eletromotriz, ou potencial de célula, depende da natureza dos reagentes, da temperatura da reação, e da concentração de iões presentes na reação.
Este texto é adaptado de <a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-3-electrode-and-cell-potentials">OpenStax, Chemistry 2e, Section 17.3: Electrode and Cell Potentials</a>.

Força Eletromotriz

A eletricidade é gerada por elétrons ou íons que fluem através de uma solução ou meio condutor. Este fluxo de elétrons ou especificamente elétrico ...

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KEY TERMS AND CONCEPTS

TERMOS-CHAVE E CONCEITOS

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

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JoVE Core - Química dá vida a conceitos gerais de química usando vídeos de animação fáceis de entender. Além disso, nos vídeos Cientistas em ação, demonstramos experimentos de pesquisa clássicos e originais realizados atualmente por cientistas em laboratórios em todo o mundo.

Cell Voltage and Electron Flow

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