Name: redox cell potential, Δg°, and k
Uploaded: 2020-09-24T15:06:52.000Z
Duration: 2 min 58 s
Channel: JoVE

Standart hücre potansiyeli, bir redoks reaksiyonunun spontan olduğunu gösterir ve bir reaksiyon için standart Gibbs serbest enerjisindeki değişikliği meydana getirir. Her iki terim de tepkinin kendiliğindenliğinin bir ölçüsü olduğundan, birbirleriyle ilişkili midir? Bir çinko-bakır galvanik hücrede, 1, 10 Voltluk hücre potansiyeli, hücre tarafından yapılan maksimum elektrik işi olan bir elektron akışına neden olur.w_max jul cinsinden ölçülür ve coulomb cinsinden aktarılan toplam yük ile volt cinsinden hücre potansiyelinin ürünü olarak ifade edilir. Toplam yük q, reaksiyon sırasında aktarılan elektronların mol sayısı olan n'ye bağlıdır. Çinko-bakır galvanik hücrede 2 mol elektronu çinkodan bakıra aktarılır, yani n 2'ye eşittir.Toplam yükü elde etmek için, N, 1 mol elektronda bulunan elektrik yükünün büyüklüğü olan Faraday sabiti ile çarpılır:96.485 kulomb. Böylece, çinko-bakır galvanik hücrenin gerçekleştirdiği maksimum elektrik işi, elektronların mollerinden, Faraday sabitinden ve hücre potansiyelinden belirlenir. Burada, elektrik işi için gerekli olan tüm enerji hücrenin kendisi tarafından sağlanır ve sistem, negatif işaret ile gösterilen çevre üzerinde çalışma gerçekleştirir.Gibbs serbest enerjisinin, bir reaksiyonun işi gerçekleştirmek için mevcut olan enerjisi ile ilişkili olduğunu hatırlayın. Standart durum koşulları altında, Gibbs serbest enerjisindeki değişiklik, bir reaksiyonda üretilen en yüksek iş miktarının bir ölçüsüdür. Böylece, maksimum iş, bir elektrokimyasal reaksiyonun serbest enerji değişiminin belirlenmesine izin vererek ΔG ile ikame edilebilir.Çinko-bakır reaksiyonu için ΔG, 212 kilojul olup, kendiliğinden olduğunu gösterir. Karşılaştırıldığında, standart hücre potansiyeli 0, 93 Volt olan bir nikel-manganez redoks reaksiyonu, 179 kilojul bir değer verir ve bu da spontan olmadığını gösterir. Standart serbest enerji değişimi aynı zamanda denge sabiti K ile de ilgilidir.Büyük bir denge sabiti, reaksiyonun ürün tarafında negatif bir ΔG değeri ile korelasyon içinde olduğunu ve bunun tersi olduğunu gösterir. ΔG ile ilişkileri göz önüne alındığında, standart hücre potansiyeli ve denge sabiti de ilişkilidir. Bu ilişki, hücre potansiyeli için bu denklemi çözerek ve ΔG'yi gaz sabiti, sıcaklık ve K'nin doğal logaritma ile ikame ederek elde edilir.

hücre potansiyeli ve serbest enerji

Cell Potential and Free Energy

Bir Redoks Reaksiyonunun Termodinamiği
 
 Termodinamik, ısı ve diğer enerji biçimleri arasındaki ilişkiyi ele alan fiziğin dalıdır. Bir elektrokimyasal hücrede, kimyasal enerji elektrik enerjisine dönüştürülür.
 
 Böylece, hücre potansiyeli, serbest enerji değişimi ve reaksiyon için denge sabiti arasında bir bağlantı tahmin edilebilir. Hücre potansiyeli ayrıca oksidan veya indirgeyici kuvvet olarak da ölçülebilir ve benzer asit-baz kuvvet ölçümleri denge sabitlerine yansıtılır.
 
 Gibbs Serbest Enerjisi ve E°hücre ile ΔG° Arasındaki İlişki
 
 Gibbs serbest enerjisi, sabit sıcaklık ve basınç koşullarında tutulan bir termodinamik sistem tarafından gerçekleştirilen maksimum geri dönüşümlü iş miktarını hesaplamak için kullanılan bir miktardır. G sembolü ile gösterilir ve değişimi ∆G olarak temsil edilir. Bir sistemin standart serbest enerji değişimi, ΔG°, bir sistem tarafından gerçekleştirilen maksimum iş olarak tanımlanır, wmax. Standart koşullar altında bir galvanik hücre içinde meydana gelen bir redoks reaksiyonu için, yapılan tüm çalışmalar, indirgeyici maddeden oksitleyici maddeye, welec'e elektron transferi ile ilişkilidir. Böylelikle,
 
 <img alt="Eq1" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_1.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 
 Bununla birlikte, elektron transferi ile ilgili herhangi bir çalışma, Coulomb olarak aktarılan yüke ve hücre potansiyeline bağlıdır:
 
 <img alt="Eq2" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 
 burada n = transfer edilen elektronların mol sayısı, F, 1 mol elektronların coulombic yükünü temsil eden Faraday sabitidir ve E°hücre standart hücre potansiyelidir. ΔG° ve ΔE°hücre arasındaki ilişki, işaret düzeninin ve reaksiyon spontanlığının kriterlerini doğrular. Spontan redoks reaksiyonları, pozitif potansiyele ve negatif serbest enerji değerlerine sahiptir.
 
 E°hücre hücre ve K arasındaki ilişki
 
 Standart serbest enerji değişimi ΔG°, aşağıdaki gibi bir redoks reaksiyonunun denge sabiti K ile ilgilidir:
 
 <img alt="Eq3" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_3.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 
 ΔG° ve K arasındaki daha önce türetilmiş ilişkiyi ve ΔG° veE°hücre ile ilgili denklemi birleştirmek aşağıdakileri verir:
 
 <img alt="Eq4" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_4.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 
 Bu nedenle,
 
 <img alt="Eq5" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Equation_5.png" style="text-align: center; height: 75px;" />
 
 Bu denklem, büyük veya pozitif standart hücre potansiyellerine sahip redoks reaksiyonlarının, çoğu reaktan ürüne dönüştürüldüğünde dengeye ulaşarak tamamlanmaya doğru ilerleyeceğini gösterir.
 
 Ters yönde ilerleyen reaksiyonlar veya spontan olmayan reaksiyonlar, negatif hücre potansiyelleri, pozitif serbest enerji değerleri ve birden küçük denge sabiti sergiler. Denge sabiti bir ve hücre potansiyeli ve sıfıra eşit serbest enerji değerleri, standart koşullarda denge altında bir reaksiyon ile ilişkilidir.
 
 Standart koşullar altında hücre potansiyeli ile ΔG° ve K termodinamik sabitleri arasındaki ilişki aşağıda verilen şekil ile açıklanabilir:
 
 <img alt="Image1" src="/files/ftp_upload/11436/11436_Image_1.png" style="text-align: center; height: 250px;" />
 
 Şekil 1: Üç önemli termodinamik özellik arasındaki ilişkiyi gösteren grafik.
 
 Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: <a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-4-potential-free-energy-and-equilibrium">Openstax,Chemistry 2e, Section 17.4: Potential, Free Energy, and Equilibrium</a>.

Hücre Potansiyeli ve Serbest Enerji

Redoks Reaksiyonunun Termodinamiği
Termodinamik, ısı ve diğer enerji biçimleri arasındaki ilişkiyi inceleyen fizik dalıdır. Bir ...

Education

JoVE Core

Chemistry

Kimya

Electrochemistry

Elektrokimya

KEY TERMS AND CONCEPTS

TEMEL TERİMLER VE KAVRAMLAR

redox cell potential, Δg°, and k

Redox cell potential connects chemical energy, free energy change, and the equilibrium constant in an electrochemical cell. In these reactions, chemical energy is converted into electrical energy. That link helps predict whether a reaction is spontaneous and how far it may proceed.

Thermodynamics is the study of how heat and other forms of energy are related. In an electrochemical cell, cell potential can also reflect oxidizing strength or reducing strength. A similar idea appears in acid-base chemistry, where equilibrium constants help compare strength.

Gibbs free energy, written as G, is used to describe the maximum reversible work a system can perform at constant temperature and pressure. Its change is written as ΔG, and the standard free energy change, ΔG°, is the maximum work performed by the system under standard conditions. For a redox reaction in a galvanic cell, the work is tied to electron transfer from the reducing agent to the oxidizing agent.

The work from electron transfer depends on the charge moved in coulombs and the cell potential. In the equation, n is the number of moles of transferred electrons, F is Faraday’s constant, and E°cell is the standard cell potential. This relationship shows the sign pattern for spontaneity. Spontaneous redox reactions have positive cell potential and negative free energy change.

The standard free energy change is also related to the equilibrium constant K. When the equation for ΔG° is combined with the relation between ΔG° and E°cell, a direct link between E°cell and K appears. Reactions with large or positive standard cell potentials tend to move toward completion, so most reactants are converted to products before equilibrium is reached.

Nonspontaneous reactions, or reactions that proceed in the reverse direction, have negative cell potential, positive free energy change, and an equilibrium constant less than 1. If a reaction is at equilibrium under standard conditions, then K equals 1 and both cell potential and free energy change are 0. The relationship between E°cell, ΔG°, and K shows how thermodynamic values describe the same redox system from different angles.

Redox Cell Potential, ΔG°, and K

balancing redox equations

Redox Reactions and Half-Reaction Balancing

Redox reactions involve electron transfer and changes in oxidation number. In electrochemistry, these reactions connect chemical changes with electrical energy. They also power technologies such as industrial metal processing and rechargeable batteries used in electric vehicles. Oxidation number is a way to track how an atom's electronic environment changes compared with the pure element, where the oxidation number is zero. For a simple ionic compound, the oxidation number matches the ion...

electromotive force

Cell Voltage and Electron Flow

Electric current is the flow of electric charge through a conducting medium or a solution. In wires, that charge is carried by electrons. In some solutions, ions can also move and carry charge. When electrons move through a wire, they produce an electric current. This idea connects to redox reactions, where electrons are lost and gained. In the spontaneous reaction between zinc and copper ions, zinc is oxidized to zinc ions. Copper ions are reduced to solid copper. Even so, this direct...

voltaic/galvanic cells

Galvanic Cells and Battery Reactions

Galvanic cells use spontaneous redox reactions to produce electric current. A common example is a disposable AA battery, which powers devices by turning chemical energy into electrical energy. Another example is a copper wire placed in silver nitrate solution, where the solution slowly turns bright blue and a grey solid forms on the wire. In the copper and silver reaction, copper is oxidized and silver ions are reduced. Copper forms cuprous ions, which give the solution its blue color. At the...

standard electrode potentials

Using Electrode Potentials to Predict Reactions

Electrode potentials help predict whether a redox reaction will happen on its own. A redox reaction involves electron transfer. In electrochemistry, the measured value is called cell potential or cell voltage. It shows the energy linked to charge transfer and is measured in volts, where 1 volt equals 1 joule per coulomb. A single half-cell cannot be measured by itself because electron transfer needs both a donor and a receiver. For that reason, scientists measure the difference between two...

cell potential and free energy

Redox cell potential connects chemical energy, free energy change, and the equilibrium constant in an electrochemical cell. In these reactions, chemical energy is converted into electrical energy. That link helps predict whether a reaction is spontaneous and how far it may proceed. Thermodynamics is the study of how heat and other forms of energy are related. In an electrochemical cell, cell potential can also reflect oxidizing strength or reducing strength. A similar idea appears in acid-base...

the nernst equation

Cell Potential Under Changing Conditions

Cell potential changes when a redox reaction does not run at standard conditions. Standard cell potentials connect with standard free energy change, ΔG°, and the equilibrium constant K, but those relationships only hold at 1 M concentration, 298 K, and 1 atmosphere. A zinc(II) and tin(II) redox cell with E°cell = +0.291 V and ΔG° = −56.2 kJ is spontaneous under those standard conditions. As a cell discharges, the reactant concentration changes and the cell potential steadily drops. Many redox...

concentration cells

Cell Potential from Concentration Differences

Concentration cells are voltaic cells that use two almost identical half-cells. The half-cells use the same electrode and the same half-reaction. They differ only in the concentration of one redox species, so the cell potential depends on that concentration difference. In a concentration cell, the Nernst equation can be used to find the cell potential. For the zinc example shown, the calculated cell potential is positive. A positive cell potential means the overall reaction is spontaneous. <br...

batteries and fuel cells

Primary, Rechargeable Batteries and Fuel Cells

Batteries and fuel cells are galvanic cells that supply electrical power for many applications. They range from tiny button batteries in wristwatches to large systems that can provide backup energy to municipal power grids. Some are primary cells, which are single-use and cannot be recharged. Others are secondary cells, which use reversible reactions and can be charged again by an external power source. A common primary battery is the dry cell. It uses zinc as both the container and the anode,...

corrosion

Rusting and Metal Protection

Corrosion is the natural breakdown of metals through electrochemical reactions. It can appear as rust on iron, tarnish on silver, or a blue-green patina on copper. In each case, the metal is oxidized. Some corrosion products can protect the surface, while others keep damaging the metal. Rusting is the harmful type of corrosion seen in iron. It happens when iron is exposed to oxygen and water. A galvanic cell forms on the iron surface, and this drives oxidation at the anodic region and...

electrolysis

Electrolysis in Batteries and Metal Production

Electrolysis uses electrical energy to drive a nonspontaneous redox reaction. In a galvanic cell, a spontaneous redox reaction does electrical work on the surroundings by sending electrons through an external circuit. In electrolysis, an external circuit does work on the redox system by applying a voltage large enough to force the reaction in the opposite direction. This process is used in several real-world settings. Recharging a battery is one example, because an outside power source drives...

key terms and concepts

Explore how redox cell potential relates to Gibbs free energy and the equilibrium constant. Learn which reactions are spontaneous and how E°cell predicts direction.

Redox Cell Potential, ΔG°, and K | JoVE K12

chemistry

JoVE Core Kimya, özlü ve kolay anlaşılır animasyon video derslerini kullanarak genel kimya kavramlarına hayat veriyor. Ek olarak, bilim insanı uygulama videolarımız ile klasik ve orijinal araştırma deneylerini dünya çapında günümüz laboratuvarlarında görselleştiriyoruz.

Redox Cell Potential, ΔG°, and K

Description

Transcript

Tags