17.4 Spenna, frjáls orka og jafnvægi

17.4 Íspenna, fríorka og jafnvægi

Hingað til í þessum kafla hefur verið lýst tengslunum milli íspennu og sjálfgengni efnahvarfa, sem bendir til tengsla við fríorkubreytingu hvarfsins (sjá kaflann um varmafræði). Túlkun íspennu sem mælikvarða á styrk oxara var kynnt og minnir á svipaða mælikvarða á styrk sýra og basa sem birtast í jafnvægisföstum (sjá kaflann um sýru-basajafnvægi). Þessi kafli tekur saman tengsl íspennu við skyldu varmafræðilegu stærðirnar ΔG og K.

E° og ΔG°

Staðalfríorkubreyting ferlis, ΔG°, var skilgreind í fyrri kafla sem hámarksvinnan sem kerfi getur unnið, w_max. Þegar oxunar-afoxunarhvarf fer fram í galvaníhlöðu við staðalaðstæður tengist nánast öll vinnan flutningi rafeinda frá afoxara til oxara, w_elec:

Vinnan sem tengist rafeindaflutningi ræðst af heildarhleðslunni (í kúlombum) sem flyst og íspennu sellunnar:

þar sem n er mólfjöldi rafeinda sem flyst, F er Faraday-fastinn og E°_cell er staðalíspenna sellunnar. Samband fríorkubreytingar og staðalíspennu staðfestir þær formerkjareglur og viðmið um sjálfgengni sem áður hafa verið rædd fyrir báðar stærðirnar: sjálfgeng oxunar-afoxunarhvörf hafa jákvæða íspennu og neikvæða fríorkubreytingu.

E° og K

Með því að sameina sambandið milli ΔG° og K sem var leitt áður (sjá kaflann um varmafræði) og jöfnuna hér að ofan, sem tengir ΔG° og E°_cell, fæst eftirfarandi:

Þessi jafna sýnir að oxunar-afoxunarhvörf með háa og jákvæða staðalíspennu ganga langt til fullnustu og ná jafnvægi þegar meirihluti hvarfefna hefur breyst í myndefni. Samböndin milli E°, ΔG° og K eru tekin saman á mynd 17.7, og tafla 17.2 tengir sjálfgengni hvarfs við gildi þessara stærða.

Íspenna utan staðalaðstæðna: Nernst-jafnan

Flest oxunar-afoxunarferli sem skipta máli í vísindum og samfélagi eiga sér ekki stað við staðalaðstæður. Því er íspenna slíkra kerfa utan staðalaðstæðna mikilvæg stærð. Þar sem samband íspennu og fríorkubreytingar hefur verið sýnt má nota sambandið milli fríorkubreytingar og hvarfkvóta, Q, til að leiða jöfnu sem tengir íspennu við styrki hvarfefna og myndefna.

Takið eftir að hvarfkvótinn Q kemur fyrir í þessari jöfnu; því er fríorkubreytingin háð samsetningu hvarfblöndunnar. Ef jöfnunni sem tengir fríorkubreytingu við íspennu er stungið inn fæst Nernst-jafnan:

Þessi jafna lýsir því hvernig íspenna oxunar-afoxunarkerfis, til dæmis rafhlöðu, víkur frá gildi sínu við staðalaðstæður. Hún sýnir sérstaklega að íspennan er fall af fjölda fluttra rafeinda, n, hitastiginu, T, og samsetningu hvarfblöndunnar eins og hún birtist í Q. Við 25 °C má skrifa Nernst-jöfnuna með tuglogra sem

Styrkrafhlaða er búin til með því að tengja saman tvær næstum eins hálfsellur sem byggjast báðar á sama hálfhvarfi og nota sama rafskaut, en eru ólíkar að styrk einnar oxunar-afoxunartegundar. Íspenna styrkrafhlöðu ræðst því eingöngu af styrkmun þessarar tegundar. Dæmið hér að neðan sýnir notkun Nernst-jöfnunnar í útreikningum fyrir styrkrafhlöður.