Потенциал клеток и свободная энергия

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.