Back to chapter

18.5:

Потенциал клеток и свободная энергия

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

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.

18.5:

Потенциал клеток и свободная энергия

Термодинамика окислительно-восстановительных реакций

Термодинамика — это отрасль физики, занимающейся взаимосвязью между теплом и другими формами энергии. В электрохимической ячейке химическая энергия преобразуется в электрическую.

Таким образом, можно спрогнозировать связь между потенциалом клетки, изменение свободной энергии и постоянной равновесия для реакции. Потенциал клеток также можно измерить как оксидант или уменьшающий уровень, и аналогичные показатели кислотно-основная Strength отражаются в константах равновесия.

Свободная энергия Гиббса и отношение между E°cell и ΔG°

Свободная энергия Гиббса — это количество, используемое для расчета максимального объема работы обратимая, выполняемой термодинамической системой, которая поддерживается при постоянных температурах и давлении. Он обозначается символом G, а его изменение представлено как ∆G. Стандартный изменение свободной энергии системы, ΔG°, определяется как максимальная работа, выполняемая системой, wmax. При окислительной реакции, протекающей в гальванической ячейке в стандартных условиях, вся проделанная работа связана с передачей электрона от восстанавливающего средства к окислителям, Welec. Таким образом,

Eq1

Однако любая работа, связанная с переносом электронов, зависит от заряда, передаваемого в кулонах, а также от клеточного потенциала:

Eq2

Где n = количество молей переданных электронов, F является константой Фарадея, которая представляет предлобковый заряд 1 моль электронов, а E°cell – стандартный клеточный потенциал. Связь между ΔG° и ΔE°CELL подтверждает условные обозначения и критерии спонтанности реакции. Спонтанные окислительно-восстановительные реакции обладают положительным потенциалом и отрицательными значениями свободной энергии.

Отношение между E°cell и K

Стандарт изменение свободной энергии ΔG° связан с равновесной константой K окислительно-восстановительного действия следующим образом:

Eq3

Сочетание ранее полученного соотношения между ΔG° и K и уравнения, относящегося к ΔG° и E°, дает следующее:

Eq4

Поэтому

Eq5

Это уравнение указывает на то, что окислительно-восстановительные реакции с большими или положительными стандартными клетительными потенциалами будут двигаться к завершению, достигая равновесия, когда большинство реагенты были преобразованы в продукт.

Неспонтанные реакции или реакции, протекающие в обратном направлении, имеют отрицательные клеточные потенциалы, положительные значения свободной энергии и равновесную константу менее одной. Равновесная константа одного и клеточного потенциала и свободные значения энергии, равные нулю, связаны с реакцией в равновесии при стандартных условиях.

Связь между потенциалом ячейки в стандартных условиях и термодинамическими константами ΔG° и K может быть объяснена на рисунке ниже:

Image1

Рисунок 1: График, изображающий взаимосвязь между тремя важными термодинамическими свойствами.

Этот текст адаптирован из Openstax,Химия 2е изд., раздел 17.4: Потенциал, свободная энергия и равновесие.