Gibbs Free Energy and EMF of a Cell
Η ελεύθερη ενέργεια Gibbs ορίζει τη μέγιστη εργασία που εκτελείται από ένα θερμοδυναμικό σύστημα υπό σταθερή πίεση και σταθερή θερμοκρασία. Το «G» χρησιμοποιείται για να δηλώσει την ελεύθερη ενέργεια του Gibbs και εκφράζεται σε Joules ή Kilojoules. Αυτή η ενέργεια μπορεί επίσης να ερμηνευτεί ως η ποσότητα ενέργειας που υπάρχει σε ένα σύστημα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση εργασιών στο σύστημα. Αυτές οι σημειώσεις για την ελεύθερη ενέργεια Gibbs και το EMF ενός κυττάρου θα σας παρέχουν όλα όσα χρειάζεται να γνωρίζετε για αυτό το θέμα.
Τι είναι η ελεύθερη ενέργεια Gibbs;
Η ελεύθερη ενέργεια Gibbs είναι ένα θερμοδυναμικό δυναμικό που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του μέγιστου έργου που εκτελείται από ένα σύστημα στη θερμοδυναμική. Έτσι, ο 2ος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι κάτω από τυπικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, υπάρχει μια φυσική τάση να επιτευχθεί μια ελάχιστη ελεύθερη ενέργεια Gibbs.
Μπορείτε λοιπόν να πείτε ότι η αλλαγή στην ελεύθερη ενέργεια G του Gibbs είναι ίση με την αλλαγή της ενθαλπίας H και της εντροπίας S όταν η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή.
ΔG =ΔH – TΔS
Όπου ∆ G =η αλλαγή στην ελεύθερη ενέργεια Gibbs
∆ H =αλλαγή στην ενθαλπία
T=θερμοκρασία σε Kelvin
∆S=αλλαγή στην εντροπία
Όταν G<0, η αντίδραση είναι αυθόρμητη.
Όταν G> 0, η αντίδραση είναι μη αυθόρμητη.
Η αντίδραση τείνει να βρίσκεται σε ισορροπία όταν G=0.
Υπολογισμός της αλλαγής στην ελεύθερη ενέργεια Gibbs
Η ελεύθερη ενέργεια του Gibbs εξαρτάται από τη θερμοκρασία, αλλά θεωρούμε τα H και S ως ανεξάρτητα από τη θερμοκρασία επειδή δεν υπάρχει αλλαγή φάσης στην αντίδραση. Άρα, το G μπορεί να υπολογιστεί εάν το H και το S είναι γνωστά.
Μέθοδοι υπολογισμού του G είναι:
Υπολογίζοντας H την αντίδραση χρησιμοποιώντας τις ενθαλπίες δεσμού.
Υπολογίζοντας το H χρησιμοποιώντας την τυπική θερμότητα σχηματισμού.
Υπολογίζοντας τα H και S χρησιμοποιώντας τυπικές τιμές.
Σταθερά Ελεύθερης Ενέργειας και Ισορροπίας
ΔS και ΔH χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό του μεγέθους του ΔG, και η σταθερά ισορροπίας K είναι ο λόγος της συγκέντρωσης των προϊόντων και των αντιδρώντων στην ισορροπία. Άρα, μπορούμε να πούμε ότι μπορούμε να εκφράσουμε το ΔG σε όρους K και αντίστροφα.
Συνδυασμός των όρων που δίνονται στην εξίσωση του ΔG και του Q
∆G=∆G° + RTlnQ ………. (1)
Όπου το ΔG° λέει ότι τα αντιδρώντα και τα προϊόντα είναι όλα τυπικής αξίας. Για ένα σύστημα σε ισορροπία (K=Q), ΔG=0. Άρα, η σχέση μεταξύ ΔG και K είναι
0 =∆G° + RTlnQ ………. (2)
∆G° =– RTlnQ…………….(3)
Αν συνδυάσουμε τις εξισώσεις 1 και 3, παίρνουμε
∆G =RT ln Q/ K
Σε τυπικές καταστάσεις προϊόντων ∆G =0 και K> 1, τα προϊόντα σχηματίζονται πάνω από αντιδρώντα σε ισορροπία.
Αντίθετα από αυτό, εάν ΔG =0 και K<1, τότε σχηματίζονται αντιδρώντα πάνω από προϊόντα.
Αλλά, εάν ΔG =0 και K =1, τότε ούτε τα προϊόντα ούτε τα αντιδρώντα ευνοούνται στη χημική αντίδραση.
Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής
Αυτός ο νόμος βασίζεται στις ιδέες του αυθορμητισμού και της εντροπίας. Μπορεί να οριστεί στη δεδομένη βάση:
Σύμφωνα με το νόμο, όλες οι αυθόρμητες διεργασίες στη θερμοδυναμική δεν μπορούν να αντιστραφούν.
Δηλώνει επίσης ότι όταν γίνεται η μετατροπή της θερμότητας σε εργασία, είναι αδύνατο να μην σπαταληθεί καμία ενέργεια.
Η εντροπία ολόκληρου του σύμπαντος συνεχίζει να αυξάνεται.
Ορίζει επίσης ότι η συνολική μεταβολή της εντροπίας του συστήματος είναι θετική.
Οι αυθόρμητες αντιδράσεις δεν χρειάζονται εξωτερική εργασία στο σύστημα, ενώ οι μη αυθόρμητες αντιδράσεις χρειάζονται σταθερή παροχή ενέργειας.
Τι είναι το EMF ενός κυττάρου;
Η ηλεκτροκινητική δύναμη ενός στοιχείου ή EMF είναι η μέγιστη διαφορά δυναμικού μεταξύ δύο ηλεκτροδίων ενός στοιχείου. Μπορεί επίσης να ερμηνευθεί ως η μέγιστη τάση μεταξύ ημι-αντιδράσεων οξείδωσης και αναγωγής. Το EMF χρησιμοποιείται για να γνωρίζουμε εάν ένα στοιχείο είναι ηλεκτροχημικό ή γαλβανικό στοιχείο.
Emf του κελιού =Eox + E κόκκινο
=Εκάθοδος + Εάνοδος
Το emf ενός κυττάρου γίνεται μηδέν όταν η χημική αντίδραση φτάσει σε ισορροπία.
Σχέση μεταξύ της ελεύθερης ενέργειας Gibbs και του EMF ενός κυττάρου
Στα γαλβανικά κύτταρα, η ελεύθερη ενέργεια του Gibbs σχετίζεται με την ηλεκτροκινητική δύναμη των κυττάρων.
G =-nFE(κελί)
Όπου n=όχι. εμπλεκόμενων μορίων ηλεκτρονίων
F=σταθερά του Faraday
=1 Faraday
=96500 Κουλόμπ
E=Emf του κελιού
Εάν τα αντιδρώντα και τα προϊόντα παρέχονται στην τυπική τους κατάσταση,
G =-nFEcell
Όταν φορτίο ρέει μέσω του γαλβανικού στοιχείου σε μια αντίστροφη αντίδραση, το μέγιστο ποσό εργασίας εκτελείται από το γαλβανικό στοιχείο. Η ποσότητα αυτής της αναστρέψιμης εργασίας που γίνεται από το κύτταρο έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της ελεύθερης ενέργειας Gibbs.
∆r G =-nFEcell
Αυτή η εξίσωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό του τυπικού δυναμικού κελιού. Η συγκέντρωση όλων των σημαντικών ειδών που αντιδρούν είναι η ίδια, E (κύτταρο) =E° (κύτταρο).
Συμπέρασμα
Η ελεύθερη ενέργεια Gibbs είναι η μέγιστη εργασία που γίνεται από ένα θερμοδυναμικό σύστημα υπό σταθερή πίεση και συγκέντρωση. Αυτό το άρθρο μιλά κυρίως για τη σχέση μεταξύ της δωρεάν ενέργειας Gibbs και του EMF ενός κυττάρου. Μπορείτε να κατανοήσετε καλύτερα το θέμα αναλύοντας τη σχέση μεταξύ της ελεύθερης ενέργειας Gibbs και των παραδειγμάτων emf κυττάρων που εξηγούνται σε αυτό το υλικό μελέτης.
