Back to chapter

18.5:

Celpotentieel en Vrije Energie

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Cell Potential and Free Energy

Languages

Share

Het standaard celpotentiaal geeft de spontaniteit van een redoxreactie aan, evenals de verandering in standaard Gibbs vrije energie voor een reactie. Aangezien beide termen een maatstaf zijn voor spontaniteit van reacties, zijn ze dan gerelateerd aan elkaar? In een zink-koper galvanische cel veroorzaakt het celpotentiaal van 1, 10 volt een elektronenstroom, wat het maximale elektrische werk is dat door de cel wordt gedaan.w_max wordt gemeten in joules en wordt uitgedrukt als het product van de totale overgedragen lading in coulomb en de celpotentiaal in volt. De totale lading, q, hangt af van n, het aantal mol elektronen dat tijdens de reactie wordt overgedragen. In de zink-koper galvanische cel worden 2 mol elektronen overgedragen van zink naar koper, dus n is gelijk aan 2.Om de totale lading te krijgen, wordt N vermenigvuldigd met de constante van Faraday, de grootte van de elektrische lading die aanwezig is in 1 mol elektronen:96.485 coulomb. Het maximale elektrische werk dat door de zink-koper-galvanische cel wordt uitgevoerd, wordt dus bepaald uit het aantal mol elektronen, de constante van Faraday en de celpotentiaal. Hier wordt alle energie voor het elektrische werk geleverd door de cel zelf, waardoor het systeem werkzaamheden aan de omgeving uitvoert die worden aangegeven met een negatief teken.Bedenk dat Gibbs vrije energie wordt geassocieerd met de energie van een reactie die beschikbaar is om werk uit te voeren. Onder standaardcondities is de verandering in Gibbs vrije energie een maat voor de grootste hoeveelheid werk die in een reactie wordt gegenereerd. Het maximale werk kan dus worden vervangen door ΔG, waardoor de vrije energieverandering van een elektrochemische reactie kan worden bepaald.Voor de zink-koperreactie is ΔG 212 kilojoules, wat aangeeft dat het spontaan is. Ter vergelijking:een nikkel-mangaan-redoxreactie met een standaard celpotentiaal van 0, 93 volt levert een waarde op van 179 kilojoule, wat aangeeft dat het niet spontaan is. De standaard vrije energieverandering is ook gerelateerd aan de evenwichtsconstante K.Een grote evenwichtsconstante geeft aan dat de reactie ligt op de productzijde die correleert met een negatieve AG-waarde, en vice versa.Gezien hun relatie tot AG, zijn de standaardcelpotentiaal en de evenwichtsconstante ook gerelateerd. Deze relatie wordt afgeleid door deze vergelijking voor de celpotentiaal op te lossen en ΔG te vervangen door de gasconstante, temperatuur en de natuurlijke log van K.

18.5:

Celpotentieel en Vrije Energie

Thermodynamics of a Redox Reaction

Thermodynamics is the branch of physics dealing with the relationship between heat and other forms of energy. In an electrochemical cell, chemical energy is converted into electrical energy.

Thus, a link can be predicted between cell potential, free energy change, and the equilibrium constant for the reaction. Cell potential can also be measured as the oxidant or the reducing strength, and similar acid-base strength measures are reflected in equilibrium constants.

Gibbs’ Free Energy and the Relationship Between E°cell  and ΔG°

The Gibbs free energy is a quantity used to calculate the maximum amount of reversible work performed by a thermodynamic system maintained at constant temperature and pressure conditions. It is denoted by the symbol G, and its change is represented as ∆G. The standard free energy change of a system, ΔG°, is defined as the maximum work performed by a system, wmax. For a redox reaction occurring within a galvanic cell under standard conditions, all the work done is associated with electron transferring from the reducing agent to the oxidizing agent, welec. Thus,

Eq1

However, any work associated with electron transfer depends on the charge transferred in Coulombs as well as the cell potential:

Eq2

where n = the number of moles of transferred electrons, F is Faraday’s constant, which represents the coulombic charge of 1 mole of electrons, and E°cell is the standard cell potential. The relation between ΔG° and ΔE°cell confirms the sign conventions and the criteria for reaction spontaneity. Spontaneous redox reactions have positive potential and negative values of free energy.

Relationship between E°cell and K

The standard free energy change ΔG° is related to the equilibrium constant K of a redox reaction as follows:

Eq3

Combining a previously derived relation between ΔG° and K and the equation relating to ΔG° and E°cell yields the following:

Eq4

Therefore,

Eq5

This equation indicates that redox reactions with large or positive standard cell potentials will proceed towards completion, reaching equilibrium when most reactants have been converted to product.

Nonspontaneous reactions or reactions proceeding in reverse directions exhibit negative cell potentials, positive free energy values, and an equilibrium constant of less than one. An equilibrium constant of one and cell potential and free energy values equal to zero is associated with a reaction under equilibrium at standard conditions.

The relationship between the cell potential under standard conditions and the thermodynamic constants ΔG° and K can be explained by the figure given below:

Image1

Figure 1: Graphic depicting the relation between three important thermodynamic properties.

This text is adapted from Openstax,Chemistry 2e, Section 17.4: Potential, Free Energy, and Equilibrium.