Back to chapter

18.2:

Elektromotorische Kracht

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Electromotive Force

Languages

Share

Wanneer elektronen door een draad stromen, of ionen door een oplossing stromen, wekken ze elektriciteit op. Deze elektronenstroom, of meer specifiek elektrische lading, wordt gedefinieerd als een elektrische stroom. Maar waardoor stromen de elektronen?Denk aan een redoxreactie tussen koper en zink. Wanneer een zinkelektrode in een koperionenoplossing wordt geplaatst, worden elektronen van de ene stof naar de andere overgebracht. Zink, dat een grotere neiging heeft om elektronen te verliezen, wordt geoxideerd tot zinkionen, terwijl koperionen worden gereduceerd tot vast koper.Bij deze reactie stromen elektronen van zink naar koper, maar deze reactie wekt geen elektriciteit op. Bedenk nu dat de reactanten, zink en koper, fysiek gescheiden en verbonden zijn via een externe geleider, zoals een draad. De neiging van de reactanten om elektronen te winnen of te verliezen, blijft bestaan, waardoor de elektronen door de draad stromen, die de twee halfreacties met elkaar verbindt.Deze elektronenstroom vormt een elektrische stroom en kan elektrische apparaten, zoals een gloeilamp, aandrijven. Elektrische stroom wordt gemeten in ampère. Eén ampère is gelijk aan de stroom van één coulomb elektrische lading per seconde, wat overeenkomt met 6, 24 10¹⁸ elektronen per seconde.De stroom van elektrische stroom is vergelijkbaar met water dat door een waterval stroomt. Het water wordt aangedreven door het verschil in potentiële zwaartekracht, terwijl de elektronenstroom wordt aangedreven door het verschil in elektrische potentiële energie tussen de reactanten. Dit verschil in elektrische potentiële energie wordt beschreven door de termen potentiaalverschil, elektromotorische kracht of celpotentiaal.Het celpotentiaal is een maat voor de drijvende kracht tussen twee reactanten en de neiging tot elektronenoverdracht. Het celpotentiaal van twee geïsoleerde reactanten wordt gemeten met een voltmeter, die wordt afgelezen in celspanning. Eén volt komt overeen met één joule potentiële energie per coulomb elektrische lading.Een hoog celpotentieel duidt op een grote drijvende kracht en een groter gemak van elektronenoverdracht. Ten slotte hangt het celpotentieel of de elektromotorische kracht af van de aard van de reactanten, de reactietemperatuur en de concentratie van ionen die in de reactie aanwezig zijn.

18.2:

Elektromotorische Kracht

Electricity is generated by either electrons or ions flowing through a solution or a conducting medium. This flow of electrons or specifically electrical charge is defined as an electric current. When electrons move through a wire, they generate an electric current. It can be recalled  that in a redox reaction, electrons are lost and gained. In the spontaneous redox reaction of zinc  with copper, when zinc is immersed in a copper ion solution, a transfer of electrons from one substance to another occurs.

Eq1

Zinc, having a greater tendency to lose electrons, is oxidized to zinc ions, while copper ions are reduced to solid copper. However, this reaction does not generate electricity.

Electrical Current and How Electrons Flow

Electron transfer occurs directly from a reducing agent to an oxidizing agent in a solution. Even if the components of half-reactions are physically isolated in separate vessels and connected via an external conductor such as a wire, the tendency to lose and gain electrons by the reactants still persists. However, now, electrons are forced to flow through the wire connecting the two half-reactions. This electron flow through the wire constitutes an electric current and can power electronic appliances, such as a light-bulb. Electric current is measured in amperes. One ampere is equal to the flow of one  coulomb of electrical charge per second and is equal to 6.24 × 10−18 electrons per second.

Eq2

Since an electron has a charge of 1.602 × 10−19 C, 1 ampere correlates to the flow of 6.242 × 1018 electrons per second.

Eq3

Driving Force for Electrical Current, Potential Difference, and Emf

The flow of electrical current is similar to water flowing down a waterfall. The water is driven by the difference in gravitational potential energy, while the flow of electrons is driven by the difference of the electrical potential energy between the reactants. This difference in electrical potential energy is described either by the terms potential difference, electromotive force (emf), or cell potential. The emf is a measure of the driving force between two reactants and the tendency for electron transfer.

Some redox reactions are spontaneous, while others are not. For example, a copper wire undergoes spontaneous oxidation by silver(I) ions, but fails to yield any reaction when immersed in a solution of lead(II) ions. This is due to the difference in the redox activity of the two species, Ag+ (aq) and Pb2+ (aq), towards copper: the silver ion spontaneously oxidizes copper, but the lead ion does not. This difference in redox reactivity in electrochemistry can be quantified using the term ‘cell potential’; also commonly known as ‘voltage’.

The cell potential of two isolated reactants is measured with a voltmeter, which is read in cell voltage. One volt correlates to one joule of potential energy per one coulomb of electrical charge.

Eq4

A high cell potential indicates a large driving force and greater ease of electron transfer. Lastly, the electromotive force, or cell potential, depends on the reactants’ nature, the reaction temperature, and the concentration of ions present in the reaction.

This text is adapted from OpenStax, Chemistry 2e, Section 17.3: Electrode and Cell Potentials.