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

Когда электроны проходят через провод или ионы проходят через раствор, они генерируют электричество. Этот поток электронов или, точнее, электрический заряд, определяется как электрический ток. Но что заставляет электроны течь?Рассмотрим окислительно-восстановительную реакцию между медью и цинком. Когда цинковый электрод помещается в раствор ионов меди, электроны переносятся от одного вещества к другому. Цинк, имеющий большую тенденцию к потере электронов, окисляется до ионов цинка, а ионы меди восстанавливаются до твердой меди.В этой реакции электроны перетекают от цинка к меди, но в этой реакции не производится электричество. Теперь представьте, что исходные вещества, цинк и медь, физически разделены и соединены через внешний проводник, например, провод. Тенденция исходных веществ к получению или потере электронов все еще сохраняется, заставляя электроны течь через провод, который соединяет две полуреакции.Этот поток электронов представляет собой электрический ток и может питать электрические приборы, такие как лампочка. Электрический ток измеряется в амперах. Один ампер равен переносу электрического заряда в один кулон в секунду, что соответствует 6, 24 10¹⁸ электронов в секунду.Электрический ток похож на воду, стекающую водопадом. Вода движется благодаря разнице в гравитационной потенциальной энергии, в то время как поток электронов движется благодаря разнице в электрической потенциальной энергии между исходными веществами. Эта разница в электрической потенциальной энергии описывается в терминах разности потенциалов, электродвижущей силы или потенциала ячейки.Потенциал ячейки является величиной движущей силы между двумя исходными веществами и тенденции к переносу электронов. Потенциал ячейки двух изолированных исходных веществ измеряется вольтметром, который считывает напряжение ячейки. Один вольт соответствует одному джоулю потенциальной энергии на один кулон электрического заряда.Высокий потенциал ячейки указывает на большую движущую силу и большую легкость переноса электронов. Наконец, потенциал ячейки или электродвижущая сила зависит от природы исходных веществ, температуры реакции и концентрации ионов, участвующих в реакции.

Электродвижущая сила

Электричество вырабатывается электронами или ионами, проходящими через раствор или проводящую среду. Этот поток электронов или электрический заряд определяется как электрический ток. Когда электроны проходят через провод, они генерируют электрический ток. Можно напомнить , что в окислительно-восстановительных реакциях электроны теряются и обретают. При спонтанной окислительно-восстановительных реакциях цинка с медью, когда цинк погружается в медный ион раствор, происходит перенос электронов из одного вещества в другое. 
 <img alt="Eq1" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_1.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 Цинк, имеющий большую склонность к потере электронов, окисляется до ионов цинка, а ионы меди редуцируются до твёрдых меди. Однако такая реакция не приводит к электричеству. 
 Электрический ток и как движутся электроны 
 Перенос электронов происходит непосредственно от восстанавливающего вещества к окислителям в раствор. Даже если компоненты полуреакций физически изолированы в отдельных сосудах и соединены через внешний проводник, например провод, тенденция к потере и получению электронов реагенты все еще сохраняется. Однако теперь электроны вынуждены проходить через провод, соединяющий две полуреакции. Этот поток электронов через провод представляет собой электрический ток и может обеспечить питание электронных приборов, таких как лампа-лампа. Электрический ток измеряется в амперах. Один ампер равен потоку одного кулона электрического заряда в секунду и равен 6.24 × 10-18 электронам в секунду. 
 <img alt="Eq2" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 72px;" />
 Поскольку электрон имеет заряд 1.602 × 10-19 C, 1 ампер коррелирует с потоком 6.242 × 1018 электронов в секунду. 
 <img alt="Eq3" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_3.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 Движущая сила электрического тока, разность потенциалов и ЭМП 
 Поток электрического тока похож на поток воды, протекающей через водопад. Вода приводится в действие разницей в энергии гравитационного потенциала, в то время как поток электронов определяется разницей энергии электрического потенциала между реагенты. Эта разница в энергии электрического потенциала описывается либо терминами разность потенциалов, электродвижущая сила (эмп), либо клеточный потенциал. эмп является мерой движущей силы между двумя реагенты и тенденцией к передаче электронов. 
 Некоторые окислительные реакции являются спонтанными, в то время как другие нет. Например, медная проволока подвергается спонтанному окислению ионами серебра(i), но не дает реакции при погружении в раствор ионов свинца(II). Это связано с разницей в окислительной активности двух видов, AG+ (aq) и Pb2+ (aq), по отношению к меди: Серебряный ион спонтанно окисляет медь, но свинцовый ион не окисляет. Это различие в окислительно-восстановительных активях электрохимии можно количественно оценить с помощью термина «клеточный потенциал», также известного как «напряжение». 
 Потенциал ячейки двух изолированных реагенты измеряется вольтметром, который считывается по напряжению ячейки. Один вольт соответствует одному джоулу потенциальной энергии на один кулон электрического заряда. 
 <img alt="Eq4" src="/files/ftp_upload/11433/11433_Equation_4.png" style="text-align: center; height: 72px;" />
 Высокий потенциал клеток указывает на большую движущую силу и большую легкость передачи электронов. Наконец, электродвижущая сила или клеточный потенциал зависят от примоль реагенты, температуры реакции и концентрации ионов, присутствующих в реакции. 
 Этот текст адаптирован из<a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-3-electrode-and-cell-potentials"> OpenStax, Химия 2е изд., раздел 17.3: Электродный и клеточные потенциалы</a>.

Электричество вырабатывается электронами или ионами, проходящими через раствор или проводящую среду. Этот поток электронов или конкретно электрический...

Education

JoVE Core

Chemistry

Химия

Один

Electrochemistry

Электрохимия

KEY TERMS AND CONCEPTS

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ

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