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

O potencial da célula padrão indica a espontaneidade de uma reação redox, o mesmo acontece com a alteração na energia livre padrão de Gibbs para uma reacção. Como ambos os termos são uma medida de espontaneidade da reação, estão relacionados um com o outro, numa célula galvânica de zinco-cobre, o potencial celular de 1, 10 volts provoca um fluxo de eletróns, que é o máximo trabalho elétrico realizado pela célula. O w_max é medido em joules e é expresso como o produto da carga total transferida em coulombs e do potencial celular em volts.A carga total, q, depende de n, o número de moles dos eletróns transferidos durante a reação. Na célula galvânica de zinco-cobre, 2 moles de eletróns são transferidos do zinco para o cobre, portanto n é igual a 2. Para obter a carga total, N é multiplicado pela constante de Faraday, que é a magnitude de carga elétrica presente em 1 mol de eletróns:96, 485 coulombs.Assim, o máximo de trabalho elétrico realizado pela célula galvânica de zinco-cobre é determinado a partir dos mols de eletróns, da constante de Faraday, e do potencial celular. Aqui, toda a energia para o trabalho elétrico é fornecida pela célula em si, resultando no sistema a executar trabalho no meio envolvente que é denotado por um sinal negativo. Recordemos que a energia livre de Gibbs está associada à energia de uma reação disponível para realizar o trabalho.Em condições de estado normais, a alteração na energia livre de Gibbs é a medida da maior quantidade de trabalho gerada numa reação. Assim, o trabalho máximo pode ser substituído por ΔG, permitindo que a alteração da energia livre de uma reação eletroquímica seja determinada. Para a reação zinco-cobre, ΔG é de 212 kilojoules, indicando que é espontânea.Em comparação, uma reação redox níquel-manganês com um potencial de célula padrão de 0, 93 volts Produz-se um valor de 179 kilojoules, indicando que é não espontânea. A alteração da energia livre padrão também está relacionada com a constante de equilíbrio, K.Uma constante de equilíbrio grande indica que a reação reside no lado do produto estando correlacionada com um valor ΔG negativo, e vice-versa. Dada a sua relação com ΔG, o potencial da célula padrão e a constante de equilíbrio estão também relacionados.Esta relação é derivada resolvendo esta equação para o potencial celular e substituindo ΔG pela constante do gás, temperatura, e logaritmo natural de K.

potencial celular e energia livre

Cell Potential and Free Energy

Termodinâmica de uma Reação Redox
Termodinâmica é o ramo da física que lida com a relação entre calor e outras formas de energia. Em uma célula eletroquímica, a energia química é convertida em energia elétrica.
Assim, pode ser prevista uma ligação entre o potencial celular, a alteração da energia livre, e a constante de equilíbrio para a reação. O potencial celular pode também ser medido como a força de oxidação ou redução, e medições semelhantes da força ácido-base são refletidas em constantes de equilíbrio.
A Energia Livre de Gibbs e a Relação Entre E°cell  e ΔG°
A energia livre de Gibbs é uma quantidade utilizada para calcular a quantidade máxima de trabalho reversível realizado por um sistema termodinâmico mantido em condições de temperatura e pressão constantes. É denotada pelo símbolo G, e sua alteração é representada como ∆G.A alteração de energia livre padrão de um sistema, ΔG°, é definida como o trabalho máximo realizado por um sistema, wmax. Para uma reação redox que ocorra dentro de uma célula galvânica em condições normais, todo o trabalho realizado está associado à transferência de eletrões do agente redutor para o agente oxidante, welec. Assim,
<img alt="Eq1" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_1.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
No entanto, qualquer trabalho associado à transferência de eletrões depende da carga transferida em Coulombs, bem como do potencial celular:
<img alt="Eq2" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
onde n = o número de moles de eletrões transferidos, F é a constante de Faraday, que representa a carga coulombica de 1 mole de eletrões, e E°cell é o potencial celular padrão. A relação entre ΔG° e ΔE°cell confirma as convenções de sinais e os critérios de espontaneidade da reação. Reações redox espontâneas têm potencial positivo e valores negativos de energia livre.
Relação entre E°cell e K
A Δalteração de energia livre padrão ΔG° está relacionada com a constante de equilíbrio K de uma reação redox como se segue:
<img alt="Eq3" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_3.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
A combinação de uma relação previamente derivada entre ΔG° e K e a equação relativa a ΔG° e E°cell produz o seguinte:
<img alt="Eq4" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_4.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
Por conseguinte,
<img alt="Eq5" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_5.png" style="text-align: center; height: 75px;" />
Esta equação indica que reações redox com potenciais celulares padrão grandes ou positivos irão prosseguir até ao fim, alcançando o equilíbrio quando a maioria dos reagentes tiver sido convertida em produto.
Reações não espontâneas ou reações que seguem em direções inversas apresentam potenciais celulares negativos, valores positivos de energia livre, e uma constante de equilíbrio inferior a um. Uma constante de equilíbrio de um e valores de potencial celular e energia livre iguais a zero estão associados a uma reação em equilíbrio em condições padrão.
A relação entre o potencial celular em condições padrão e as constantes termodinâmicas ΔG° e K pode ser explicada pela figura abaixo:
<img alt="Image1" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Image_1.png" style="text-align: center; height: 250px;" />
Figura 1: Gráfico que mostra a relação entre três propriedades termodinâmicas importantes.
Este texto é adaptado de <a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-4-potential-free-energy-and-equilibrium">Openstax,Chemistry 2e, Section 17.4: Potential, Free Energy, and Equilibrium</a>.

Potencial Celular e Energia Livre

Termodinâmica de uma reação redox
A termodinâmica é o ramo da física que lida com a relação entre o calor e outras formas de energia. Em um ...

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KEY TERMS AND CONCEPTS

TERMOS-CHAVE E CONCEITOS

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.

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Redox Cell Potential, ΔG°, and K

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