Back to chapter

18.2:

כח אלקטרומניע

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

כשאלקטרונים זורמים בחוט חשמל או יונים זורמים בתמיסה, הם יוצרים חשמל. זרם זה של אלקטרונים, או באופן ספציפי יותר, של מטען חשמלי, מוגדר כזרם חשמלי. אבל מה גורם לאלקטרונים לזרום?חשבו על תגובת חמזור בין נחושת לאבץ. כשאלקטרודת אבץ מונחת בתמיסה של יוני נחושת, אלקטרונים מועברים מחומר אחד למשנהו. אבץ, שיש לו נטייה גדולה יותר לאבד אלקטרונים, מחומצן ליוני אבץ, בעוד יוני הנחושת עוברים חיזור לנחושת מוצקה.בתגובה זו אלקטרונים זורמים מאבץ לנחושת, אבל תגובה זו אינה מחוללת חשמל. עכשיו חשבו שהמגיבים, אבץ ונחושת, מופרדים פיזית ומחוברים בעזרת מוליך חיצוני כמו חוט חשמל. נטיית המגיבים לקבל או לאבד אלקטרונים עדיין מתקיימת ומניעה את האלקטרונים לזרום דרך חוט החשמל, שמחבר בין שני חצאי התגובות.זרם האלקטרונים יוצר זרם חשמלי ויכול להפעיל מכשירים חשמליים כמו נורה. זרם חשמלי נמדד באמפרים. אמפר אחד שווה לזרם של קולון אחד של מטען חשמלי לשנייה, המתאים ל כ-6.24 10¹⁸ אלקטרונים לשנייה.הזרימה של זרם חשמלי דומה למים הזורמים כלפי מטה במפל. המים מונעים מההבדל באנרגיה הפוטנציאלית הגרוויטציונית, בעוד הזרם של אלקטרונים מונע מההבדל בפוטנציאל האנרגיה החשמלית בין המגיבים. ההבדל בפוטנציאל האנרגיה החשמלית מתואר במונחים של הפרש פוטנציאל, כוח מניע חשמלי או פוטנציאל תאי.הפוטנציאל התאי הוא מידה של כוח מניע בין שני מגיבים והנטייה של אלקטרונים לעבור. הפוטנציאל התאי של שני מגיבים מבודדים נמדד בעזרת מד מתח שנקרא מתח התא. וולט אחד תואם לג’ול של פוטנציאל אנרגיה לקולון אחד של מטען חשמלי.פוטנציאל תאי גבוה מצביע על כוח מניע גדול ועל העברת אלקטרונים ביתר קלות. לבסוף, הפוטנציאל התאי או הכוח האלקטרו מניע תלוי בטבע המגיבים, בטמפרטורת התגובה ובריכוז היונים שנוכחים בתגובה.

18.2:

כח אלקטרומניע

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.