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

Стандартный потенциал ячейки указывает на самопроизвольность окислительно-восстановительной реакции, так же как и изменение стандартной свободной энергии Гиббса для реакции. Поскольку оба термина являются мерой самопроизвольности реакции, связаны ли они друг с другом? В медно-цинковом гальваническом элементе потенциал элемента 1, 10 вольт вызывает поток электронов, что является максимальной электрической работой, выполняемой элементом.w_max измеряется в джоулях и выражается как произведение общего заряда, перенесенного в кулонах, и потенциала ячейки в вольтах. Общий заряд q зависит от n числа молей электронов, перенесенных во время реакции. В цинко-медном гальваническом элементе 2 моля электронов передаются от цинка к меди, поэтому n равно 2.Чтобы получить полный заряд, N умножается на постоянную Фарадея, которая представляет собой величину электрического заряда, присутствующего в 1 моле электронов:96485 кулонов. Таким образом, максимальная электрическая работа, выполняемая цинко-медным гальваническим элементом, определяется из числа молей электронов, постоянной Фарадея и потенциала ячейки. Здесь вся энергия для электрической работы поставляется самой ячейкой, в результате чего система выполняет работу с окружающей средой, что обозначается отрицательным знаком.Напомним, что свободная энергия Гиббса связана с энергией реакции, доступной для выполнения работы. В условиях стандартного состояния изменение свободной энергии Гиббса является мерой наибольшего количества работы, произведенной в реакции. Таким образом, максимальная работа может быть заменена на дельта G, что позволяет определить изменение свободной энергии электрохимической реакции.Для реакции цинк-медь дельта G равна минус 212 килоджоулей, что указывает на то, что она является самопроизвольной. Для сравнения, окислительно-восстановительная реакция никеля с марганцем со стандартным потенциалом ячейки минус 0, 93 вольта дает значение 179 килоджоулей, что указывает на то, что она не является самопроизвольной. Стандартное изменение свободной энергии также связано с постоянной равновесия K.Большая постоянная равновесия указывает на то, что равновесие реакции смещено в сторону продукта, что коррелирует с отрицательным значением ΔG, и наоборот.Учитывая их отношение к ΔG, стандартный потенциал ячейки и постоянная равновесия также связаны. Это соотношение получается путем решения этого уравнения для потенциала ячейки и замены ΔG на газовую постоянную, температуру и натуральный логарифм К.

Потенциал клеток и свободная энергия

Cell Potential and Free Energy

Термодинамика окислительно-восстановительных реакций 
 Термодинамика — это отрасль физики, занимающейся взаимосвязью между теплом и другими формами энергии. В электрохимической ячейке химическая энергия преобразуется в электрическую. 
 Таким образом, можно спрогнозировать связь между потенциалом клетки, изменение свободной энергии и постоянной равновесия для реакции. Потенциал клеток также можно измерить как оксидант или уменьшающий уровень, и аналогичные показатели кислотно-основная Strength отражаются в константах равновесия. 
 Свободная энергия Гиббса и отношение между E°cell и ΔG° 
 Свободная энергия Гиббса — это количество, используемое для расчета максимального объема работы обратимая, выполняемой термодинамической системой, которая поддерживается при постоянных температурах и давлении. Он обозначается символом G, а его изменение представлено как ∆G. Стандартный изменение свободной энергии системы, ΔG°, определяется как максимальная работа, выполняемая системой, wmax. При окислительной реакции, протекающей в гальванической ячейке в стандартных условиях, вся проделанная работа связана с передачей электрона от восстанавливающего средства к окислителям, Welec. Таким образом, 
 <img alt="Eq1" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_1.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 Однако любая работа, связанная с переносом электронов, зависит от заряда, передаваемого в кулонах, а также от клеточного потенциала: 
 <img alt="Eq2" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 Где n = количество молей переданных электронов, F является константой Фарадея, которая представляет предлобковый заряд 1 моль электронов, а E°cell - стандартный клеточный потенциал. Связь между ΔG° и ΔE°CELL подтверждает условные обозначения и критерии спонтанности реакции. Спонтанные окислительно-восстановительные реакции обладают положительным потенциалом и отрицательными значениями свободной энергии. 
 Отношение между E°cell и K 
 Стандарт изменение свободной энергии ΔG° связан с равновесной константой K окислительно-восстановительного действия следующим образом: 
 <img alt="Eq3" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_3.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 Сочетание ранее полученного соотношения между ΔG° и K и уравнения, относящегося к ΔG° и E°, дает следующее: 
 <img alt="Eq4" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_4.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 Поэтому 
 <img alt="Eq5" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_5.png" style="text-align: center; height: 75px;" />
 Это уравнение указывает на то, что окислительно-восстановительные реакции с большими или положительными стандартными клетительными потенциалами будут двигаться к завершению, достигая равновесия, когда большинство реагенты были преобразованы в продукт. 
 Неспонтанные реакции или реакции, протекающие в обратном направлении, имеют отрицательные клеточные потенциалы, положительные значения свободной энергии и равновесную константу менее одной. Равновесная константа одного и клеточного потенциала и свободные значения энергии, равные нулю, связаны с реакцией в равновесии при стандартных условиях. 
 Связь между потенциалом ячейки в стандартных условиях и термодинамическими константами ΔG° и K может быть объяснена на рисунке ниже: 
 <img alt="Image1" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Image_1.png" style="text-align: center; height: 250px;" />
 Рисунок 1: График, изображающий взаимосвязь между тремя важными термодинамическими свойствами. 
 Этот текст адаптирован из <a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-4-potential-free-energy-and-equilibrium">Openstax,Химия 2е изд., раздел 17.4: Потенциал, свободная энергия и равновесие</a>.

Термодинамика окислительно-восстановительной реакции
Термодинамика — раздел физики, изучающий отношения между теплом и другими формами энергии. В ...

Education

JoVE Core

Chemistry

Химия

Один

Electrochemistry

Электрохимия

KEY TERMS AND CONCEPTS

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ

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