레독스 반응의 열역학

열역학은 열과 다른 형태의 에너지 사이의 관계를 다루는 물리학의 분기입니다. 전기 화학 전지에서 화학 에너지는 전기 에너지로 변환됩니다.

따라서, 반응은 세포 전위, 자유로운 에너지 변화, 및 평형 상수 사이에서 링크를 예측할 수 있다. 세포 전위는 또한 산화제 또는 감소 강도로 측정될 수 있으며, 유사한 산염-염기 강도 측정은 평형 상수에 반영된다.

깁스의 자유 에너지와 E°_셀과 ΔG°의관계

깁스 프리 에너지는 일정한 온도 및 압력 조건에서 유지되는 열역학 시스템에 의해 수행되는 가역 작업의 최대 양을 계산하는 데 사용되는 양입니다. 기호 G에의해 표시되며 그 변경 사항은g∆로표시됩니다. 시스템의 표준 자유 에너지 변화인 ΔG°는시스템에 의해 수행되는 최대 작업, w_max로정의된다. 표준 조건하에서 갈바닉 세포 내에서 발생하는 레독스 반응의 경우, 모든 작업은 감소제에서 산화제로 전자 전달과 연관되어, w_elec. 따라서

그러나 전자 전달과 관련된 모든 작업은 Coulombs에서 전송되는 전하뿐만 아니라 세포 전위에도 따라 달라집니다.

여기서 n = 전송된 전자의 두더지 의 수, F는 패라데이의 상수이며, 이는 전자의 1 두더지의 혼수전전을 나타내고,E°셀은 표준 세포 전위이다. ΔG°와 ΔE°_셀 간의 관계는 반응 자발성에 대한 기호 규칙 및 기준을 확인합니다. 자발적인 레독스 반응은 자유 에너지의 긍정적 인 잠재력과 부정적인 값을 가지고 있습니다.

E°_셀과 K 사이의 관계

표준 자유 에너지 변화 ΔG°는 다음과 같이 레독스 반응의 평형 상수 K와 관련이 있습니다.

Δ G°와 K 사이의 이전에 파생된 관계와 ΔG°및 _E°셀과 관련된 방정식을 결합하면 다음을 산출합니다.

따라서

이 방정식은 크거나 양성 표준 세포 잠재력을 가진 redox 반응이 완료쪽으로 진행되어 대부분의 반응제가 제품으로 변환될 때 평형에 도달한다는 것을 나타냅니다.

역방향으로 진행되는 비자발적 반응 또는 반응은 부정적인 세포 전위, 긍정적 인 자유 에너지 값 및 하나 미만의 평형 상수를 나타낸다. 1개의 평형 상수 및 세포 전위 및 제로와 동일한 자유 에너지 값은 표준 조건에서 평형하에서의 반응과 연관된다.

표준 조건하에서 세포 전위와 열역학 상수 ΔG°및 K 사이의 관계는 아래에 주어진 그림에 의해 설명될 수 있습니다.

그림 1: 세 가지 중요한 열역학 적 특성 사이의 관계를 묘사하는 그래픽.

이 텍스트는 Openstax, 화학 2e, 섹션 17.4: 잠재적, 자유 에너지 및 평형에서 채택됩니다.