Back to chapter

18.5:

פוטנציאל תא ואנרגיה חופשית

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

פוטנציאל התא הסטנדרטי מעיד על ספונטניות תגובת חמצון-חיזור, וכך גם השינוי באנרגיית גיבס חופשית של התגובה. כיוון ששני המונחים הם מדד לספונטניות התגובה, האם הם קשורים זה לזה? בתא גלווני של נחושת-אבץ, פוטנציאל התא, העומד על 1.10 וולט, גורם לזרימת אלקטרונים, שהיא העבודה החשמלית המקסימלית המבוצעת על ידי התא.w_max נמדד בג’ול ומבוטא כמכפלה של המטען הכולל המועבר בקולון ופוטנציאל התא בוולט. המטען הכולל, q, תלוי ב-n, מספר המולים של אלקטרונים המועברים במהלך התגובה. בתא הגלווני של נחושת-אבץ, 2 מול אלקטרונים מועברים מאבץ לנחושת, כך ש-n שווה 2.כדי לחשב את המטען הכולל, N מוכפל בקבוע פרדיי, שהוא גודל המטען החשמלי הקיים ב-1 מול אלקטרונים:96, 485 קולון. לכן, העבודה החשמלית המקסימלית המבוצעת על ידי תא גלווני של נחושת-אבץ נקבעת על פי מספר מולי האלקטרונים, קבוע פרדיי ופוטנציאל התא. כאן את כל האנרגיה לעבודה החשמלית מספק התא עצמו, וכתוצאה מכך המערכת מבצעת עבודה על סביבתה, המצוינת בסימן מינוס.זכרו שאנרגיית גיבס חופשית קשורה לאנרגיית תגובה הזמינה לביצוע עבודה. בתנאים סטנדרטיים, השינוי באנרגיית גיבס החופשית הוא מדד לכמות העבודה הרבה ביותר המבוצעת בתגובה. לכן ניתן להציב ΔG כעבודה מקסימלית, וכך לחשב את שינוי האנרגיה החופשית של תגובה אלקטרו-כימית.בתגובת אבץ-נחושת, ΔG היא מינוס 212 קילוג’ול, עדות לכך שהתגובה ספונטנית. בהשוואה לכך, תגובת חמזור ניקל-מנגן עם פוטנציאל תא של מינוס 0.93 וולט מניבה ערך של פלוס 179 קילוג’ול, המעיד על היותה בלתי ספונטנית. השינוי באנרגיה החופשית הסטנדרטית קשור גם לקבוע שיווי המשקל, K.קבוע שיווי משקל גדול מעיד על כך שהתגובה נוטה לצד התוצר, בהתאמה לערך ΔG שלילי, ולהפך.בשל הקשר שלהם לΔG, פוטנציאל התא וקבוע שיווי המשקל קשורים לכך אף הם. קשר זה נגזר מפתרון משוואה זו של פוטנציאל התא והחלפת ΔG בקבוע הגזים, הטמפרטורה והלוג הטבעי של K.

18.5:

פוטנציאל תא ואנרגיה חופשית

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.