Energia livre e potencial da célula

RKA6GM - Quando você está lidando com uma célula voltaica, é importante relacionar o potencial da célula com a energia livre de uma reação de oxirredução. Nós temos aqui a equação que relaciona energia livre com o potencial das células. O ΔG é a variação, ou é a mudança da energia livre, e nós sabemos que para uma reação espontânea, o ΔG vai ser negativo. Então, a gente vai marcar aqui que o nosso ΔG vai ser negativo. Nós vamos calcular o valor de ΔG no final desse vídeo. O Ɛ da nossa reação representa o potencial da célula, ou a minha voltagem. Isso é fácil de mensurar, você só precisa de um voltímetro. E, para essa célula, o potencial vai ser positivo, então, a gente sabe que o potencial aqui vai ser +1,10 volts. Então é fácil medir a voltagem associada com uma célula voltaica. Agora, esse "n" representa os mols de elétrons que são transferidos na reação de oxirredução. Nesse exemplo, nós estamos falando de 2 mols. Por último, vamos ver quem é "F". "F" é a constante de Faraday, eu vou escrevê-la aqui para vocês. Então, eu vou escrever aqui em cima, eu tenho que "F" vai ser igual a 1,602 vezes 10⁻¹⁹ C. Isso quer dizer que 1 elétron tem essa carga de coulombs, então, coulombs aqui vai ser a nossa unidade para carga. Se nós quisermos encontrar a magnitude da carga carregada por 1 mol de elétrons, nós precisamos multiplicar esse número pelo número de Avogrado; Então só vamos marcar aqui que isso aqui é para 1 elétron e, agora, eu tenho que multiplicar isso aqui, vou escrever um pouquinho mais aqui em cima, eu tenho que multiplicar esse número pelo meu número de Avogrado, então vezes 6,022 vezes 10²³. Isso aqui são elétrons. Então isso aqui vai ser para cada 1 mol de elétrons. Então vamos pegar uma calculadora para fazer essa constante de Faraday. Então eu tenho aqui a minha calculadora e eu vou fazer aqui. Eu vou fazer 1,602 vezes 10⁻¹⁹ vezes 6,022 vezes 10²³. E vou ter esse número aqui, que vai ser 96.472 C. Então, vamos marcar aqui 96.472 C... Isso aqui vai ser C/mol. Se você fizer um cálculo mais preciso, vai encontrar que a quantidade de coulombs vai ser mais ou menos igual a 96.485 C/mol. Algumas vezes, você pode ver em alguns livros que eles usam esse número nos exercícios. Para os mais diversos cálculos, a gente tem um outro número, a gente tem que a constante de Faraday seria 96.500 C/mol. Então, 96.500 C/mol. Esse valor é muito bom para praticamente todos os cálculos que você fará. Então, a gente viu a explicação de cada termo da nossa equação. Esse potencial da célula que nós vimos antes, 1,10 volts, ela é a voltagem medida quando a célula opera sob condições padrões, que é definida quando todos os seus sólidos estão na forma pura, e esse é o caso que nós temos aqui, temos um metal, o zinco, que é sólido na sua forma pura, e temos o cobre, que também é um sólido na sua forma pura. Esse potencial também é definido como as soluções em um molar de concentração. Então, aqui nós temos um molar de sulfato de zinco, então vamos marcar aqui que a gente tem um molar dessa solução de sulfato de zinco, que vai nos resultar em um molar de Zn²⁺. E aqui do lado, nós também vamos ter um molar de sulfato de cobre, que, na nossa solução, vai ser 1 molar de CU²⁺. A nossa temperatura aqui vai ser de 25º C. E essas vão ser as condições que vão fazer o seu voltímetro apontar 1,10 volts. Você pode modificar essa equação, nós podemos colocar um outro termo aqui, então, vamos fazer aqui em baixo. Vamos pegar um pouquinho mais de espaço aqui. Em vez de Ɛ, eu iria escrever Ɛ⁰, e em vez de ΔG, escreveria ΔG⁰. Ɛ⁰ é o potencial padrão, isso significa que tudo está sob condições padrões, e o ΔG⁰ vai ser o padrão de mudança na energia livre. Então, vamos calcular o ΔG⁰. Nós já sabemos que o nosso ΔG vai ser negativo. Então, se eu marcar aqui ΔG⁰, já tenho que marcar o negativo do meu ΔG. Então agora eu tenho que colocar a minha quantidade de mols. Então eu vou ter 2 mols de solução. Então, aqui eu tenho 2 mols. Agora, tenho que multiplicar pela minha constante de Faraday, então a gente vai usar 96.500. A gente vai fazer aqui 96.500 C/mol, e, agora, eu tenho que fazer isso vezes o meu Ɛ, que eu sei que vai ser 1,10 volts. Então, perceba as unidades, volts é a mesma coisa que joules por coulombs. Então, para facilitar a nossa vida, vou utilizar essa unidade. Então, a gente tem aqui 1,10 J/C. Agora nós vamos calcular isso, então, vou pegar de novo a calculadora, e a gente vai fazer essa continha. Então vou ter 2 vezes 96.500 vezes 1,10. Eu vou ter aqui esse número, que eu posso arredondar para 212 kJ. Então, se eu pegar aqui um pouquinho de espaço, vou ter que o meu ΔG⁰ vai ser igual a menos, que eu tenho que colocar esse negativo aqui, -212 kJ. Então a mudança padrão na energia para essa célula voltaica vai ser - 212 kJ. E nós já sabemos que, quando o ΔG é negativo, essa vai ser uma reação espontânea. Note que ΔG⁰ e Ɛ⁰ possuem sinais opostos, então, nós temos uma voltagem positiva e nós terminamos com o sinal negativo para ΔG⁰, e é por isso que nós temos um sinal negativo aqui nessa equação. Então uma reação espontânea em uma célula voltaica tem potencial positivo, mas ela vai ter uma mudança negativa na energia livre, porque isso indica uma reação espontânea.