Термонейтральное напряжение - Thermoneutral voltage

В электрохимия, а термонейтральное напряжение представляет собой падение напряжения на электрохимической ячейке, которого достаточно не только для запуска реакции ячейки, но и для обеспечения тепла, необходимого для поддержания постоянной температуры. Для реакции формы

${\displaystyle Ox+ne^{-}\leftrightarrow Red}$

Термонейтральное напряжение определяется выражением

${\displaystyle E_{tn}=-\Delta H/(nF)=(\Delta H_{Red}-\Delta H_{Ox})/(nF)}$

куда ${\displaystyle \Delta H}$ изменение в энтальпия и F это Постоянная Фарадея.

Объяснение

Для клеточной реакции, описываемой химическим уравнением:

${\displaystyle Ox+ne^{-}\leftrightarrow Red}$

при постоянной температуре и давлении термодинамическое напряжение (минимальное напряжение, необходимое для запуска реакции) определяется выражением Уравнение Нернста:

${\displaystyle E=-\Delta G/(nF)=(\Delta G_{Red}-\Delta G_{Ox})/(nF)}$

куда ${\displaystyle \Delta G}$ это Энергия Гиббса и F это Постоянная Фарадея. Стандартное термодинамическое напряжение (т. Е. При стандартной температуре и давлении) определяется как:

${\displaystyle E^{o}=-\Delta G^{o}/(nF)=(\Delta G_{Red}^{o}-\Delta G_{Ox}^{o})/(nF)}$

и Уравнение Нернста может использоваться для расчета стандартного потенциала при других условиях.

Клеточная реакция обычно эндотермический: т.е. он будет извлекать тепло из окружающей среды.^{[нужна цитата ]} Расчет энергии Гиббса обычно предполагает бесконечное термальный резервуар чтобы поддерживать постоянную температуру, но на практике реакция охлаждает поверхность раздела электродов и замедляет протекающую там реакцию.

Если напряжение ячейки увеличивается выше термодинамического напряжения, продукт этого напряжения и тока будет генерировать тепло, и если напряжение таково, что выделяемое тепло соответствует теплу, необходимому для реакции для поддержания постоянной температуры, это напряжение называется «термонейтральное напряжение». Скорость отвода тепла равна ${\displaystyle TdS/dt}$ куда Т - температура (в данном случае стандартная температура) и dS / dt - скорость производства энтропии в ячейке. При термонейтральном напряжении эта скорость будет равна нулю, что указывает на то, что термонейтральное напряжение может быть рассчитано из энтальпия^[1].

${\displaystyle E_{tn}=-(\Delta G+T\Delta S)/(nF)=-\Delta H/(nF)=(\Delta H_{Red}-\Delta H_{Ox})/(nF)}$

Пример

Для воды при стандартной температуре (25 ° C) чистая реакция ячейки может быть записана:

${\displaystyle H_{2}O\leftrightarrow H_{2}(g)+{\frac {1}{2}}O_{2}(g)}$

Используя потенциалы Гиббса (${\displaystyle \Delta G_{H2O}^{o}=-237.18}$ кДж / моль) ^[2][3], термодинамическое напряжение при стандартных условиях равно

${\displaystyle E^{o}=-\Delta G_{H_{2}O}^{o}/(2F)\approx }$ 1,229 Вольт (для образования H₂(грамм))

Подобно тому, как при сгорании водорода и кислорода выделяется тепло, обратная реакция с образованием водорода и кислорода будет поглощать тепло. Термонейтральное напряжение (используя ${\displaystyle \Delta H_{H2O}^{o}=-285.83}$ кДж / моль)^[2][3]:

${\displaystyle E_{tn}^{o}=-\Delta H_{H_{2}O}^{o}/(2F)\approx }$ 1,481 Вольт.

Рекомендации

1. Харрисон, К .; Ремик, Р .; Хоскин, А .; Мартин, Г. (2010). «Производство водорода: основы и резюме примеров из практики (препринт)» (PDF). Получено 9 февраля, 2020.
2. Дин, Джон А. (1979). Справочник Ланге по химии (PDF) (11-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл.
3. Лиде, Дэвид Р. (2003). Справочник CRC (PDF) (84-е изд.). Бока-Ратон: CRC Press.