Войдите в систему

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.

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°_cellи 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: