Electrochemistry: mga Cell Potential, Free Energy ngan an Nernst nga Ekwasyon

Ha sulod han galvanic cell: anode, cathode ngan salt bridge

An galvanic (voltaic) nga cell nagbabalhin han spontaneous nga redox nga reaksyon ngadto ha elektrikal nga buhat. Ha klasiko nga zinc–copper nga cell, an zinc strip aada ha solusyon han Zn²⁺ ngan an copper strip aada ha solusyon han Cu²⁺. An zinc na-o-oxidize, Zn → Zn²⁺ + 2e⁻, ngan an mga electron nagbibiyahe pinaagi han wire ngadto ha copper strip, kun diin Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu.

An oxidation kanunay nahitatabo ha anode ngan an reduction ha cathode. Ha galvanic cell an anode amo an negatibo nga electrode, tungod kay nagpapagawas ini hin mga electron ngadto ha wire. An salt bridge, nga kasagaran puno hin solusyon han KNO₃, nagtutugot ha mga ion nga maglihok tali han duha nga beaker basi waray usa nga makatipon hin net nga karga. Kun waray hini, hapit dayon napupundo an current.

An cell notation naglilista han anode ha wala ngan han cathode ha too: Zn(s) | Zn²⁺(aq) || Cu²⁺(aq) | Cu(s). An usa nga linya nagmamarka hin utlanan han phase ngan an doble nga linya nagmamarka han salt bridge. Kun an half-reaction waray solido nga metal, an inert nga electrode sugad han platinum ginsusulat ha gawas nga tumoy.

Pagbasa han table han standard nga mga reduction potential

An kada half-reaction may standard nga reduction potential, E°, nga ginsukod batok ha standard hydrogen electrode, nga ginhatagan hin eksakto nga 0 V. An standard nga mga kondisyon amo an 1 M para ha natunaw nga mga species, 1 bar para ha mga gas ngan, ha kadam-an nga table, 25 °C. An kada entry ginsusulat sugad nga reduction.

Kun mas positibo an E°, mas makusog an pagbitad han oxidized nga porma hin mga electron. An F₂ ha +2.866 V amo an pinakamakusog nga kasagaran nga oxidizing agent ha Appendix L. An Li⁺ ha −3.04 V amo an pinakamakuri i-reduce nga ion, salit an lithium nga metal usa nga hilarom kakusog nga reducing agent. Mga bili nga gingamit ha ubos tikang ha Appendix L: Ag⁺/Ag +0.7996 V, Cu²⁺/Cu +0.337 V, Ni²⁺/Ni −0.257 V ngan Zn²⁺/Zn −0.7618 V.

Halimbawa nga gin-solbar: E°cell para ha zinc–copper nga cell

Gamita an E°cell = E°cathode − E°anode, nga an duha nga bili ginkuha sugad han pagkasulat ha table han reduction. An copper may mas positibo nga E°, salit ini an gin-re-reduce ngan amo an cathode. E°cell = +0.337 V − (−0.7618 V) = +1.099 V, gin-report ha tulo nga desimal nga lugar tungod kay an 0.337 may tulo.

An positibo nga E°cell nagkahulogan nga an reaksyon spontaneous sugad han pagkasulat ha standard nga mga kondisyon. Kun baliskad an imo pagpili han mga electrode, makakakuha ka hin −1.099 V. Nagsisiring ito ha imo nga an baliskad nga reaksyon amo an spontaneous.

An pariho nga pagsusi nagagana para ha bisan ano nga redox nga parisan. Ma-o-oxidize ba han Fe³⁺ an I⁻ ngadto ha I₂? Kun an Fe³⁺/Fe²⁺ ha +0.771 V an cathode ngan an I₂/I⁻ ha +0.5355 V an anode, E°cell = +0.236 V, salit oo. Ma-o-oxidize ba han Zn²⁺ an copper nga metal? E°cell = −0.7618 − 0.337 = −1.099 V, salit diri.

Halimbawa nga gin-solbar: kay ano nga an E° diri gud ginmumultiplikar ha koepisyente

Hunahunaa an Ni(s) + 2 Ag⁺(aq) → Ni²⁺(aq) + 2 Ag(s). Basi i-balanse an mga electron, an half-reaction han silver kinahanglan doblehon. Makakaaghat nga doblehon liwat an E° hini, kundi sayop ito. An E° usa nga intensive nga kinaiya: nagsusukod ini hin enerhiya kada yunit han karga, ngan an pagdoble han kadamo han reaksyon nagdodoble han enerhiya ngan han karga.

Salit E°cell = +0.7996 V − (−0.257 V) = +1.057 V, nga waray factor nga 2. An kadamo han reaksyon nasulod ha lain nga lugar, pinaagi han n, an kadamo han mga mole han electron nga ginbalhin, nga dinhi 2.

Pagsumpay han E°cell ha ΔG° ngan K

An maximum nga elektrikal nga buhat nga mabubuhat han cell katumbas han −ΔG, nga naghahatag hin ΔG° = −nFE°cell. Dinhi an F amo an Faraday constant, 96,485 C kada mole han mga electron, ngan an usa nga volt pinaktuo han usa nga coulomb usa nga joule. Salit an positibo nga E° nagkahulogan hin negatibo nga ΔG°, ngan an duha nagkahulogan nga an reaksyon spontaneous ha standard nga mga kondisyon.

Tungod kay ΔG° = −RT ln K, an cell potential nagtatakda liwat han equilibrium constant. Ha 25 °C nagigin ini log K = nE°cell / 0.0592 V, kun diin an 0.0592 V amo an 2.303RT/F ha 298.15 K nga gin-round ha tulo nga mahinungdanon nga mga digit, sugad han ginagamit han OpenStax.

Halimbawa nga gin-solbar. Para ha reaksyon han nickel–silver ha ibabaw, n = 2 ngan E°cell = 1.057 V. ΔG° = −2 × 96,485 C/mol × 1.057 V = −2.04 × 10⁵ J, o −204 kJ kada mole han reaksyon sugad han pagkasulat. log K = 2 × 1.057 / 0.0592 = 35.7, salit an K mga 5 × 10³⁵. An reaksyon hapit natatapos hin bug-os. Tratoha an K ha usa nga mahinungdanon nga digit: an 0.001 V nga pagbag-o ha E° nagbabalhin han log K hin mga 0.03.

An Nernst nga ekwasyon para ha diri standard nga mga konsentrasyon

An tinuod nga mga cell talagsa la nadalagan ha 1 M. An Nernst nga ekwasyon nagtatadong han potential: E = E° − (0.0592 V / n) log Q ha 25 °C, kun diin an Q amo an reaction quotient. An mga solido diri ginlalakip ha Q, sugad nga diri hira ginlalakip ha K.

Halimbawa nga gin-solbar. An zinc–copper nga cell may [Zn²⁺] = 1.00 M ngan [Cu²⁺] = 1.0 × 10⁻³ M. Para ha Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu, Q = [Zn²⁺]/[Cu²⁺] = 1.0 × 10³ ngan n = 2. E = 1.099 − (0.0592/2) × 3.00 = 1.099 − 0.089 = 1.010 V. An pagpakulang han Cu²⁺ ha cathode nagpapaubos han voltage, sugad han ginatagna han prinsipyo ni Le Chatelier.

An concentration cell may pariho nga half-reaction ha duha nga kilid, salit E° = 0, ngan nadalagan la ini tungod kay magkaiba an mga konsentrasyon. Para ha mga copper electrode ha 0.0010 M ngan 1.0 M nga Cu²⁺, E = −(0.0592/2) log(0.0010/1.0) = +0.089 V. An gin-palabnaw nga kilid amo an anode, tungod kay an oxidation didto naghihimo hin dugang nga Cu²⁺ ngan nagpapatas han kalainan. Kun an E makaabot ha sero, an Q katumbas han K ngan patay na an cell.

Electrolysis ngan an balaod ni Faraday

An electrolytic cell naggagamit hin external nga power supply basi padaganon an nonspontaneous nga reaksyon, sugad han pag-plate hin metal o pagbahin han tubig. An anode amo gihapon an lugar han oxidation, kundi yana ini an positibo nga electrode. An kadamo han produkto nagdepende la ha karga nga naagi: karga Q = current I × oras t, ngan mga mole han electron = Q / F.

Halimbawa nga gin-solbar. An current nga 2.50 A naawas hin 30.0 min pinaagi han solusyon han CuSO₄. Q = 2.50 A × 1800 s = 4500 C. Mga mole han electron = 4500 / 96,485 = 0.0466 mol. An kada Cu²⁺ nagkikinahanglan hin 2 nga electron, salit 0.0233 mol nga Cu an nadedeposito, nga ha 63.55 g/mol amo an 1.48 g.

Buhata an kuwenta pabalik basi makita an oras. An pag-plate hin 1.00 g nga silver (Ag⁺ + e⁻ → Ag) nagkikinahanglan hin 1.00 / 107.87 = 0.00927 mol nga electron, nga 894 C. Ha 0.500 A nagkikinahanglan ito hin 1789 s, mga 29.8 minuto.

Mga sayop ha timaan ngan pagrekord ha mga problema han cell

Kadam-an han mga sayop ha electrochemistry mga sayop ha timaan. Isulat an kada half-reaction, markahi kun oxidation o reduction, ngan katapos pa la buhata an aritmetika.

• Pagbaliskad han timaan han anode potential ngan unya pagkuha liwat hini, nga nag-iihap han pagbaliskad hin makaduha.
• Pagmultiplikar han E° ha koepisyente nga gingamit ha pag-balanse han mga electron.
• Pagsamok kun hain nga electrode an positibo. An cathode positibo ha galvanic cell, kundi an anode positibo ha electrolytic cell.
• Paggamit han sayop nga n ha ΔG° = −nFE° o ha Nernst nga ekwasyon. An n amo an mga mole han electron nga ginbalhin ha balanse nga kabug-osan nga reaksyon.
• Pagbilin han ΔG° ha mga joule kun an sagot karuyag ha mga kilojoule, o an kabaliktaran.
• Pagsulat han Q nga baliskad ha Nernst nga ekwasyon. An mga produkto aada ha ibabaw, sugad ha bisan ano nga reaction quotient.
• Paggamit hin mga minuto imbes nga mga segundo ha Q = It.