Vad är det för spänning vi mäter i en redox-reaktion som inte utgör en galvanisk cell?

Halloj!

Om man ställer upp en galvanisk cell och sluter kretsen kan man mäta en spänning (skillnad i elektrisk potential) mellan cellens två elektroder. Vi mäter alltså en potentialskillnad mellan två tydliga punkter. Det råkar visa sig att spänningen även går att beräkna genom sambandet $\Delta G^\ominus = -nF\varepsilon^\ominus$ , där $\Delta G^\ominus$ betecknar förändringen i Gibbs fria energi under termodynamiska standardförhållanden för det sammanlagda systemet. Reaktionen vi mäter förändringen i Gibbs fria energi blir alltså netto:

$\displaystyle \mathrm{Ox(s)+Red(s)\longrightarrow Red(p)+Ox(p)}$

Hittills är allt fint och logiskt, slutligen har vi ju två skilda punkter mellan vilka vi kan mäta en potentialskillnad.

Det hela blir lite mer mystiskt när vi betraktar en mer oordnad variant av en galvanisk cell (som inte kan leverera något arbete). Låt säga att vi bereder en vattenlösning med koppar(II)joner i och för ned en bit fast zink i denna. Då zinkbiten förs ned kommer koppar(II)joner spontant reduceras till fast koppar medan zinken oxideras. Om detta sker under termodynamiska standardförhållanden kommer kan vi mystiskt nog även här tillämpa formeln:

$\displaystyle \Delta G^\ominus = -nF\varepsilon^\ominus$

Om vi alltså känner $\Delta G^\ominus$ kan vi beräkna en spänning $\varepsilon^\ominus$ . Denna kommer visa sig vara samma som i motsvarande galvaniska cell, Daniellcellen. Men min fråga är nu vad den här spänningen är? I en situation som ovan finns det inga urskiljbara punkter mellan vilka vi kan mäta en potentialskillnad, så vad är det vi har beräknat? Krävs det en mer generaliserad definition av spänning för att förstå detta eller är det bättre att se spänningen i detta fall som en rent matematisk storhet utan fysikalisk tolkning, eller hur ska man tänka?

naytte skrev:
I en situation som ovan finns det inga urskiljbara punkter mellan vilka vi kan mäta en potentialskillnad, så vad är det vi har beräknat?

Så fort ett par kopparatomer har bildats på ett zinkbleck har man fått en galvanisk cell. Elektronerna kommer då att strömma från zinkblecket till kopparlagret. Då har man beräknat potentialskillnaden mellan dem.

Ja okej, det är väldigt rimligt faktiskt! Så man tänker att om vi hade kunnat koppla på en voltmeter på mikronivå så hade vi kunnat mäta spänningen mellan två punkter (mellan kopparlagret och zinkmetallen)?

naytte skrev:
Ja okej, det är väldigt rimligt faktiskt! Så man tänker att om vi hade kunnat koppla på en voltmeter på mikronivå så hade vi kunnat mäta spänningen mellan två punkter (mellan kopparlagret och zinkmetallen)?

Så tänker jag. Jämför med Voltas stapel, där man använde ihoppressade silver(koppar)- och zinkplattor.

Tack för det synsättet! Det är ett väldigt trevligt sätt att se det på.

Jag diskuterade detta med en vän som studerar elektrokemi och han menade att man ska tolka spänningen $\varepsilon^\ominus$ som någon typ av drivkraft mellan två abstrakta tillstånd (initial state, final state) snarare än två diskreta punkter i rummet. Det verkar lite för perfekt för att vara sant att denna abstrakta drivkraft bara av slumpen skulle sammanfalla med spänningen vi faktiskt kan mäta mellan två punkter i rummet i t.ex. en galvanisk cell... Jag har med andra ord lite svårt att begripa denna termodynamiska karaktärisering av begreppet spänning.

naytte skrev:
Det verkar lite för perfekt för att vara sant att denna abstrakta drivkraft bara av slumpen skulle sammanfalla med spänningen vi faktiskt kan mäta mellan två punkter i rummet i t.ex. en galvanisk cell... Jag har med andra ord lite svårt att begripa denna termodynamiska karaktärisering av begreppet spänning.

Det är kanske värt att titta på enheter och tala om vad man räknar.

$\Delta G^\ominus$ - är energi som frigörs i en redox-reaktion, Joule J

n - är substansmängd, mol

F - Faradays konstant och är den elektriska laddningen hos 1 mol elektroner, 96 485 Coulomb/mol (C/mol).

$\varepsilon^\ominus$ - elektromotorisk kraft eller spänning, Volt V

Arbete i ett elektriskt fält:

$W = I \cdot U \cdot t$

$1 J = 1 A \cdot 1 V \cdot 1 s = 1 W \cdot 1 s$ .

Multiplicera nu med antalet elektroner som förflyttas så får man energiförändringen i reaktionen.

$-nF\varepsilon^\ominus$ - är inget annat än beräkning av hur mycket energi frigörs vid förflyttning av ett antal mol elektroner i ett elektriskt fält med en given potentialskillnad. Sedan måste man tänka på att energi kan inte skapas eller förintas utan bara omvandlas till en annan form. Stoppar vi zinkblecket i kopparsulfatlösning kommer vi att få värme, separerar vi elektroder och låter elektronerna utföra arbete någon annanstans så kan vi inte få en annan mängd energi i samma reaktion.

Svara

Visa senaste svar