Thermodynamics and Electrochemistry · ⁨תרמודינמיקה ואלקטרוכימיה⁩

AP Chemistry · ⁨כימיה AP⁩ · Topic 9 · ⁨נושא 9⁩

View Slides · ⁨הצגת שקפים⁩ Train · ⁨אימון⁩

Video lesson for this topic · ⁨שיעור וידאו לנושא זה⁩ Open the video page · ⁨פתח את עמוד הוידאו⁩

9.1

Introduction to Entropy · ⁨מבוא לאנטרופיה⁩

Syllabus · ⁨סיילבוס⁩

English

Learning Objective 9.1.A: Identify the sign and relative magnitude of the entropy change associated with chemical or physical processes.

9.1.A.1 Entropy increases when matter becomes more dispersed. For example, the phase change from solid to liquid or from liquid to gas results in a dispersal of matter as the individual particles become freer to move and generally occupy a larger volume. Similarly, for a gas, the entropy increases when there is an increase in volume (at constant temperature), and the gas molecules are able to move within a larger space. For reactions involving gas-phase reactants or products, the entropy generally increases when the total number of moles of gas-phase products is greater than the total number of moles of gas-phase reactants.
9.1.A.2 Entropy increases when energy is dispersed. According to kinetic molecular theory (KMT), the distribution of kinetic energy among the particles of a gas broadens as the temperature increases. As a result, the entropy of the system increases with an increase in temperature.

עברית

מטרת הלמידה 9.1.A: זיהוי הסימן והגודל היחסי של שינוי האנטרופיה הקשור לתהליכים כימיים או פיזיקליים.

9.1.A.1 אנטרופיה עולה כאשר חומר הופך למפוזר יותר. לדוגמה, מעבר פאזה ממצב מוצק לנוזל או מנוזל לגז מוביל לפיזור חומר כאשר חלקיקים בודדים חופשיים יותר בתנועה וע一般情况下 תופסים נפח גדול יותר. באופן דומה, עבור גז, האנטרופיה עולה כאשר ישנה עלייה בנפח ( בטמפרטורה קבועה), וחלקיקי הגז מסוגלים לנוע בתוך מרחב גדול יותר. עבור תגובות המעורבות תגובות או תוצרים בגז, האנטרופיה בדרך כלל עולה כאשר סך המולים של תוצרים בגז גדול מאשר סך המולים של תגובות בגז.
9.1.A.2 אנטרופיה עולה כאשר אנרגיה מפוזרת. לפי תיאוריית המולקולות הקינטיות (KMT), חלוקת האנרגיה הקינטית בין חלקיקי הגז מתרחבת ככל שהטמפרטורה עולה. כתוצאה מכך, אנטרופיה של המערכת עולה עם עליית הטמפרטורה.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨מקור: תיאור הקורס והמבחן של College Board AP⁩

English

Entropy 熵 $S$ measures the dispersal of energy and matter – loosely, the number of ways to arrange a system. Entropy increases when a substance goes solid → liquid → gas, when a solid dissolves, when gas moles increase, or when temperature rises. More disorder means higher entropy.

עברית

סוללות ביתיות: תאים אלקטרוכימיים ממירים אנרגיה חופשית כימית לעבודה חשמלית

אנטרופיה $S$ מודדת פיזור אנרגיה וחומר – באופן גס, את מספר הדרך לסדר מערכת. אנטרופיה עולה כאשר חומר עובר מצב מוצק → נוזלי → גז, כאשר מוצק מתמוסס, כאשר מולות גז עולות, או כאשר הטמפרטורה עולה. אי-סדר גדול יותר פירושו אנטרופיה גבוהה יותר.

האנטרופיה עולה ממוצק לנוזל ולגז

Vocabulary · ⁨מילון מונחים⁩ Train · ⁨אימון⁩

English	עברית
Entropy/ˈentrəpi/	אנטרופיה
Gibbs free energy/ɡɪbz friː ˈenədʒi/	אנרגיה חופשית של גיבס
thermodynamically favorable/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪkli ˈfeɪvərəbl/	על פי הקריטריון התרמודינמי
galvanic (voltaic) cell/ɡælˈvænɪk sel/	תא גלווני (וולטאי)

9.2

Absolute Entropy and Entropy Change · ⁨אנטרופיה מוחלטית ושינוי אנטרופיה⁩

Syllabus · ⁨סיילבוס⁩

English

Learning Objective 9.2.A: Calculate the standard entropy change for a chemical or physical process based on the absolute entropies (standard molar entropies) of the species involved in the process.

9.2.A.1 The entropy change for a process can be calculated from the absolute entropies of the species involved before and after the process occurs.
- Equation: $\Delta S^{\circ}_{reaction} = \Sigma S^{\circ}_{products} - \Sigma S^{\circ}_{reactants}$

עברית

מטרת למידה 9.2.A: לחשב את שינוי האנטרופיה הסטנדרטי לתהליך כימי או פיזיקלי על בסיס האנטרופיות המוחלטות (אנטרופיות מולריות סטנדרטיות) של המינים המעורבים בתהליך.

9.2.A.1 שינוי האנטרופיה לתהליך ניתן לחשב מהאנטרופיות המוחלטות של המינים המעורבים לפני ואחרי התהליך מתרחש.
- משוואה: $\Delta S^{\circ}_{reaction} = \Sigma S^{\circ}_{products} - \Sigma S^{\circ}_{reactants}$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨מקור: תיאור הקורס והמבחן של College Board AP⁩

English

Every substance has a positive absolute entropy $S^\circ$. For a reaction,

$$\Delta S^\circ = \sum S^\circ(\text{products}) - \sum S^\circ(\text{reactants}).$$

Predict its sign from the change in gas moles: making more gas raises entropy ($\Delta S>0$).

עברית

לכל חומר יש אנטרופיה מוחלטית חיובית $S^\circ$. עבור תגובה,

$$\Delta S^\circ = \sum S^\circ(\text{products}) - \sum S^\circ(\text{reactants}).$$

נבא את הסימן מהשינוי במולות גז: יצירת גז נוסף מעלה את האנטרופיה ($\Delta S>0$).

9.3

Gibbs Free Energy and Thermodynamic Favorability · ⁨אנרגיה חופשית של ג'יבס והיכונאות תרמודינמית⁩

Syllabus · ⁨סיילבוס⁩

English

Learning Objective 9.3.A: Explain whether a physical or chemical process is thermodynamically favored based on an evaluation of $\Delta G^{\circ}$.

9.3.A.1 The Gibbs free energy change for a chemical process in which all the reactants and products are present in a standard state (as pure substances, as solutions of 1.0 M concentration, or as gases at a pressure of 1.0 atm (or 1.0 bar)) is given the symbol $\Delta G^{\circ}$.
9.3.A.2 The standard Gibbs free energy change for a chemical or physical process is a measure of thermodynamic favorability. Historically, the term "spontaneous" has been used to describe processes for which $\Delta G^{\circ} < 0$. The phrase "thermodynamically favored" is preferred instead so that common misunderstandings (equating "spontaneous" with "suddenly" or "without cause") can be avoided. When $\Delta G^{\circ} < 0$ for the process, it is said to be thermodynamically favored.
9.3.A.3 The standard Gibbs free energy change for a physical or chemical process may also be determined from the standard Gibbs free energy of formation of the reactants and products.
- Equation: $\Delta G^{\circ}_{reaction} = \Sigma \Delta G^{\circ}_{f\ products} - \Sigma \Delta G^{\circ}_{f\ reactants}$
9.3.A.4 In some cases, it is necessary to consider both enthalpy and entropy to determine if a process will be thermodynamically favored. The freezing of water and the dissolution of sodium nitrate are examples of such phenomena.
9.3.A.5 Knowing the values of $\Delta H^{\circ}$ and $\Delta S^{\circ}$ for a process at a given temperature allows $\Delta G^{\circ}$ to be calculated directly.
- Equation: $\Delta G^{\circ} = \Delta H^{\circ} - T\,\Delta S^{\circ}$

9.3.A.6 In general, the temperature conditions for a process to be thermodynamically favored ($\Delta G^{\circ} < 0$) can be predicted from the signs of $\Delta H^{\circ}$ and $\Delta S^{\circ}$ as shown in the table below:

$\Delta H^{\circ}$	$\Delta S^{\circ}$	Symbols	$\Delta G^{\circ} < 0$, favored at:
$< 0$	$> 0$	$<\ >$	all $T$
$> 0$	$< 0$	$>\ <$	no $T$
$> 0$	$> 0$	$>\ >$	high $T$
$< 0$	$< 0$	$<\ <$	low $T$

In cases where $\Delta H^{\circ} < 0$ and $\Delta S^{\circ} > 0$, no calculation of $\Delta G^{\circ}$ is necessary to determine that the process is thermodynamically favored ($\Delta G^{\circ} < 0$). In cases where $\Delta H^{\circ} > 0$ and $\Delta S^{\circ} < 0$, no calculation of $\Delta G^{\circ}$ is necessary to determine that the process is thermodynamically unfavored ($\Delta G^{\circ} > 0$).

עברית

מטרת למידה 9.3.A: להסביר האם תהליך פיזיקלי או כימי נחשב כתרמודינמית מועדף על בסיס הערכת $\Delta G^{\circ}$.

9.3.A.1 שינוי האנרגיה החופשית של גיבס לתהליך כימי בו כל המגיבים והמוצרים נמצאים במצב סטנדרטי (כחומרים טהורים, כפתרונות בריכוז 1.0 M, או כגזים בלחץ של 1.0 atm (או 1.0 bar)) מסומן ב-$\Delta G^{\circ}$.
9.3.A.2 שינוי אנרגיה חופשית סטנדרטי של ג'יבס לתהליך כימי או פיזיקלי הוא מדד להעדפה תרמודינמית. בהיסטוריה, הועתק המונח "ספונטני" כדי לתאר תהליכים עבורם $\Delta G^{\circ} < 0$. במקום זאת, מועדף הביטוי "העדפה תרמודינמית" כדי למנוע אי-הבנות נפוצות (השוואה בין "ספונטני" ל"פתאומי" או "ללא סיבה"). כאשר $\Delta G^{\circ} < 0$ לתהליך, נאמר שהוא מעודף תרמודינמית.
9.3.A.3 שינוי אנרגיה חופשית סטנדרטי של ג'יבס לתהליך פיזיקלי או כימי ניתן לקבוע גם מתוך אנרגיית הג'יבס הסטנדרטית ליצירה של התגובנים והמוצרים.
- משוואה: $\Delta G^{\circ}_{reaction} = \Sigma \Delta G^{\circ}_{f\ products} - \Sigma \Delta G^{\circ}_{f\ reactants}$
9.3.A.4 במקרים מסוימים, יש לבצע בחינה של כל האנתלפיה והאנטרופיה כדי לקבוע האם תהליך יהיה מעודף תרמודינמית. הקפאת מים והתמיסת נתרן ניטרט הם דוגמאות לתופעות כאלו.
9.3.A.5 ידע על ערכי $\Delta H^{\circ}$ ו$\Delta S^{\circ}$ לתהליך בטמפרטורה נתונה מאפשר לחשב ישירות את $\Delta G^{\circ}$.
- משוואה: $\Delta G^{\circ} = \Delta H^{\circ} - T\,\Delta S^{\circ}$

9.3.A.6 באופן כללי, ניתן לחזות את תנאי הטמפרטורה עבור תהליך שהמעדיף תרמודינמית ($\Delta G^{\circ} < 0$) מהסימנים של $\Delta H^{\circ}$ ו$\Delta S^{\circ}$ כפי שמוצג בטבלה הבאה:

$\Delta H^{\circ}$	$\Delta S^{\circ}$	סמלים	$\Delta G^{\circ} < 0$, מעודף ב:
$< 0$	$> 0$	$<\ >$	כל $T$
$> 0$	$< 0$	$>\ <$	לא $T$
$> 0$	$> 0$	$>\ >$	טמפרטורה גבוהה $T$
$< 0$	$< 0$	$<\ <$	טמפרטורה נמוכה $T$

במקרים שבהם $\Delta H^{\circ} < 0$ ו$\Delta S^{\circ} > 0$, אין צורך לחשב את $\Delta G^{\circ}$ כדי לקבוע שהתהליך מעודף תרמודינמית ($\Delta G^{\circ} < 0$). במקרים שבהם $\Delta H^{\circ} > 0$ ו$\Delta S^{\circ} < 0$, אין צורך לחשב את $\Delta G^{\circ}$ כדי לקבוע שהתהליך לא מעודף תרמודינמית ($\Delta G^{\circ} > 0$).

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨מקור: תיאור הקורס והמבחן של College Board AP⁩

English

Gibbs free energy 吉布斯自由能 combines enthalpy and entropy:

$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S.$$

A process is thermodynamically favorable 热力学有利 when $\Delta G<0$. So exothermic ($\Delta H<0$) and entropy-increasing ($\Delta S>0$) reactions are always favorable; when the two oppose, temperature decides.

Worked example. A reaction has $\Delta H=+40\ \text{kJ/mol}$ and $\Delta S=+120\ \text{J/(mol K)}$. It is endothermic (unfavorable enthalpy) but entropy-increasing, so it becomes favorable only when hot enough. Setting $\Delta G=\Delta H-T\Delta S<0$ and matching units ($\Delta S=0.120\ \text{kJ}$):

$$T>\frac{\Delta H}{\Delta S}=\frac{40}{0.120}=333\ \text{K}\;(60\,{}^{\circ}\text{C}).$$

עברית

אנרגיה חופשית של ג'יבס משלבת אנטלפיה ואנטרופיה:

$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S.$$

תהליך הוא תרמודינמי מועדף כאשר $\Delta G<0$. לכן תגובות אקסותרמיות ($\Delta H<0$) ועליית אנטרופיה ($\Delta S>0$) הן תמיד מועדפות; כאשר שני הגורמים נמצאים במתח, הטמפרטורה מחליטה.

האם תגובה מועדפת, לפי סימני השינוי באנטלפיה ובאנטרופיה

דוגמה מפורשת. לתגובה יש $\Delta H=+40\ \text{kJ/mol}$ ו$\Delta S=+120\ \text{J/(mol K)}$. היא אנדותרמית (אנטלפיה לא מועדפת) אך עם עליית אנטרופיה, ולכן הופכת למועדפת רק כשהטמפרטורה גבוהה מספיק. נקבע $\Delta G=\Delta H-T\Delta S<0$ ונתאים יחידות ($\Delta S=0.120\ \text{kJ}$):

$$T>\frac{\Delta H}{\Delta S}=\frac{40}{0.120}=333\ \text{K}\;(60\,{}^{\circ}\text{C}).$$

9.4

Thermodynamic and Kinetic Control · ⁨שליטה תרמודינמית וקינטית⁩

Syllabus · ⁨סיילבוס⁩

English

Learning Objective 9.4.A: Explain, in terms of kinetics, why a thermodynamically favored reaction might not occur at a measurable rate.

9.4.A.1 Many processes that are thermodynamically favored do not occur to any measurable extent, or they occur at extremely slow rates.
9.4.A.2 Processes that are thermodynamically favored, but do not proceed at a measurable rate, are under "kinetic control." High activation energy is a common reason for a process to be under kinetic control. The fact that a process does not proceed at a noticeable rate does not mean that the chemical system is at equilibrium. If a process is known to be thermodynamically favored, and yet does not occur at a measurable rate, it is reasonable to conclude that the process is under kinetic control.

עברית

מטרת הלמידה 9.4.A: הסבר, במונחי קינטיקה, מדוע תגובה מעודפת תרמודינמית עשויה לא להתרחש בקצב הנמדד.

9.4.A.1 תהליכים רבים שנחשבים לתרמודינמיתית מועדפים אינם מתרחשים בכלל או בקצב איטי במיוחד.
9.4.A.2 תהליכים שנחשבים לתרמודינמיתית מועדפים אך אינם מתקדמים בקצב נמדד נמצאים תחת "בקרה קינטית". אנרגיית פעולה גבוהה היא סיבה נפוצה לכך שתהליך יהיה תחת בקרה קינטית. העובדה שתהליך אינו מתקדם בקצב מורגש אינה מעידה שהמערכת הכימית נמצאת באיזון. אם ידוע שתהליך הוא תרמודינמיתית מועדף אך אינו מתרחש בקצב נמדד, סביר להסיק שהוא תחת בקרה קינטית.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨מקור: תיאור הקורס והמבחן של College Board AP⁩

English

$\Delta G<0$ says a reaction can happen, not that it will happen fast. A reaction can be thermodynamically favorable yet kinetically slow because of a high activation energy (diamond → graphite). Thermodynamics gives the direction; kinetics gives the speed.

עברית

$\Delta G<0$ אומר שתגובה יכולה להתרחש, לא שהיא תיהא מהירה. תגובה יכולה להיות תרמודינמית מועדפת אך קינטית איטית בשל אנרגיית פעולה גבוהה (יהלום → גרפיט). תרמודינמיקה נותנת את הכיוון; קינטיקה נותנת את המהירות.

9.5

Free Energy and Equilibrium · ⁨אנרגיה חופשית ושיווי משקל⁩

Syllabus · ⁨סיילבוס⁩

English

Learning Objective 9.5.A: Explain whether a process is thermodynamically favored using the relationships between $K$, $\Delta G^{\circ}$, and $T$.

9.5.A.1 The phrase "thermodynamically favored" ($\Delta G^{\circ} < 0$) means that the products are favored at equilibrium ($K > 1$) under standard conditions.
9.5.A.2 The equilibrium constant is related to free energy by the equations
- Equation: $K = e^{-\Delta G^{\circ}/RT}$
- Equation: $\Delta G^{\circ} = -RT \ln K$
9.5.A.3 Connections between $K$ and $\Delta G^{\circ}$ can be made qualitatively through estimation. When $\Delta G^{\circ}$ is near zero, the equilibrium constant will be close to 1. When $\Delta G^{\circ}$ is much larger or much smaller than $RT$, the value of $K$ deviates strongly from 1.
9.5.A.4 Processes with $\Delta G^{\circ} < 0$ favor products (i.e., $K > 1$) and those with $\Delta G^{\circ} > 0$ favor reactants (i.e., $K < 1$).

עברית

מטרת הלמידה 9.5.A: הסבר האם תהליך הוא מעודף תרמודינמית באמצעות הקשרים בין $K$, $\Delta G^{\circ}$ ו$T$.

9.5.A.1 הביטוי "העדפה תרמודינמית" ($\Delta G^{\circ} < 0$) משמעותו שהמוצרים מעודפים באיזון ($K > 1$) בתנאים סטנדרטיים.
9.5.A.2 קבוע האיזון קשור לאנרגיה חופשית באמצעות המשוואות
- משוואה: $K = e^{-\Delta G^{\circ}/RT}$
- משוואה: $\Delta G^{\circ} = -RT \ln K$
9.5.A.3 ניתן ליצור קשרים בין $K$ ל$\Delta G^{\circ}$ באופן איכותי באמצעות הערכה. כאשר $\Delta G^{\circ}$ קרוב לאפס, קבוע האיזון יהיה קרוב ל-1. כאשר $\Delta G^{\circ}$ גדול הרבה או קטן הרבה מ$RT$, ערך $K$ יסטה בחוזקה מ-1.
9.5.A.4 תהליכים עם $\Delta G^{\circ} < 0$ מעדיפים מוצרים (כלומר, $K > 1$) ותהליכים עם $\Delta G^{\circ} > 0$ מעדיפים תגובנים (כלומר, $K < 1$).

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨מקור: תיאור הקורס והמבחן של College Board AP⁩

English

Free energy links to the equilibrium constant:

$$\Delta G^\circ = -RT\ln K.$$

So $\Delta G^\circ<0$ gives $K>1$ (products favored), and $\Delta G^\circ>0$ gives $K<1$. At equilibrium $\Delta G=0$.

עברית

אנרגיה חופשית מקשרת לקבוע האיזון:

$$\Delta G^\circ = -RT\ln K.$$

לכן $\Delta G^\circ<0$ מוביל ל$K>1$ (מוצרים מועדפים), ו$\Delta G^\circ>0$ מוביל ל$K<1$. באיזון $\Delta G=0$.

סוללה ממרת אנרגיה חופשית של תגובה אוקסידציה-רידוקציה ספונטנית לעבודה חשמלית

9.6

Free Energy of Dissolution · ⁨אנרגיה חופשית של התמסה⁩

Syllabus · ⁨סיילבוס⁩

English

Learning Objective 9.6.A: Explain the relationship between the solubility of a salt and changes in the enthalpy and entropy that occur in the dissolution process.

9.6.A.1 The free energy change ($\Delta G^{\circ}$) for dissolution of a substance reflects a number of factors: the breaking of the intermolecular interactions that hold the solid together, the reorganization of the solvent around the dissolved species, and the interaction of the dissolved species with the solvent. It is possible to estimate the sign and relative magnitude of the enthalpic and entropic contributions to each of these factors. However, making predictions for the total change in free energy of dissolution can be challenging due to the cancellations among the free energies associated with the three factors cited.

עברית

מטרות למידה 9.6.A: הסבר הקשר בין מסיסות מלח לבין השינויים באנטלפיה ואנטרופיה המתרחשים בתהליך ההמסה.

9.6.A.1 שינוי האנרגיה החופשית ($\Delta G^{\circ}$) להמסה של חומר משקף מספר גורמים: שבירת האינטראקציות האינטר-מולקולריות המחזיקות את המוצק יחד, ארגון מחדש של הממס סביב המינים המומסים, והאינטראקציה של המינים המומסים עם הממס. ניתן להעריך את הסימן והגודל היחסי של התרומות האנתלפיות והאנטרופיות לכל אחד מגורמים אלו. עם זאת, ביצוע תחזיות לשינוי הכולל באנרגיה החופשית של המסה עשוי להיות מאתגר בשל הביטולים בין האנרגיות החופשיות הקשורות לשלושת הגורמים הנזכרים.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨מקור: תיאור הקורס והמבחן של College Board AP⁩

English

Whether a salt dissolves depends on the free-energy change of dissolving. Dissolving often increases entropy (ordered solid → dispersed ions) but may cost enthalpy; the sign of $\Delta G$ (and thus $K_{sp}$) follows from $\Delta H - T\Delta S$.

עברית

האם מלח יתמס תלוי בשינוי האנרגיה החופשית בהתמסה. התמסה מגבירה לעיתים קרובות את האנטרופיה (מוצק מסודר → יונים מפוזרים) אך עשויה לדורש אנלטיה; סימן ה$\Delta G$ (ולכן גם ה$K_{sp}$) נובע מה$\Delta H - T\Delta S$.

9.7

Coupled Reactions · ⁨תגובות מצומדות⁩

Syllabus · ⁨סיילבוס⁩

English

Learning Objective 9.7.A: Explain the relationship between external sources of energy or coupled reactions and their ability to drive thermodynamically unfavorable processes.

9.7.A.1 An external source of energy can be used to make a thermodynamically unfavorable process occur. Examples include:
- 9.7.A.1.i Electrical energy to drive an electrolytic cell or charge a battery.
- 9.7.A.1.ii Light to drive the overall conversion of carbon dioxide to glucose in photosynthesis.
9.7.A.2 A desired product can be formed by coupling a thermodynamically unfavorable reaction that produces that product to a favorable reaction (e.g., the conversion of $ATP$ to $ADP$ in biological systems). In the coupled system, the individual reactions share one or more common intermediates. The sum of the individual reactions produces an overall reaction that achieves the desired outcome and has $\Delta G^{\circ} < 0$.

עברית

מטרות למידה 9.7.A: הסבר הקשר בין מקורות אנרגיה חיצוניים או תגובות מקושרות לבין יכולתן לנהל תהליכים שאינם תרמודינמיים ברורים.

9.7.A.1 מקור אנרגיה חיצוני יכול לשמש כדי לגרום לתהליך שאינו תרמודינמי ברור להתרחש. דוגמאות כוללות:
- 9.7.A.1.i אנרגיה חשמלית לניהול תא אלקטרוליטי או טעינת סוללה.
- 9.7.A.1.ii אור לניהול ההמרה הכוללת של פחמן די-אוקסיד לגלוקוז בפוטוסינתזה.
9.7.A.2 מוצר רצוי יכול להיות נוצר על ידי קישור תגובה שאינה תרמודינמית ברורה המייצרת מוצר זה לתגובה ברורה (למשל, המרת $ATP$ ל$ADP$ במערכות ביולוגיות). במערכת המקושרת, התגובות הבודדות משתפות אינטרמדיואטים משותפים אחד או יותר. סכום התגובות הבודדות מייצר תגובה כוללת שמגיעה לתוצאה הרצויה ויש לה $\Delta G^{\circ} < 0$.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨מקור: תיאור הקורס והמבחן של College Board AP⁩

English

An unfavorable reaction ($\Delta G>0$) can be driven by coupling it to a favorable one ($\Delta G<0$) that shares a common intermediate, as long as the sum has $\Delta G<0$. This is how cells use ATP to power otherwise unfavorable processes.

עברית

תגובה לא רצויה ($\Delta G>0$) יכולה להיות מניעה על ידי צמיגה שלה לתגובה רצויה ($\Delta G<0$) השוכנת במרכז משותף, כל עוד הסכום כולל $\Delta G<0$. כך תאים מייצרים ATP כדי להפעיל תהליכים שאחרת היו לא רצויים.

9.8

Galvanic and Electrolytic Cells · ⁨תאי גלבניים ואלקטרוליטיים⁩

Syllabus · ⁨סיילבוס⁩

English

Learning Objective 9.8.A: Explain the relationship between the physical components of an electrochemical cell and the overall operational principles of the cell.

9.8.A.1 Each component of an electrochemical cell (electrodes, solutions in the half-cells, salt bridge, voltage/current measuring device) plays a specific role in the overall functioning of the cell. The operational characteristics of the cell (galvanic vs. electrolytic, direction of electron flow, reactions occurring in each half-cell, change in electrode mass, evolution of a gas at an electrode, ion flow through the salt bridge) can be described at both the macroscopic and particulate levels.
9.8.A.2 Galvanic, sometimes called voltaic, cells involve a thermodynamically favored reaction, whereas electrolytic cells involve a thermodynamically unfavored reaction. Visual representations of galvanic and electrolytic cells are tools of analysis to identify where half-reactions occur and in what direction current flows.
9.8.A.3 For all electrochemical cells, oxidation occurs at the anode and reduction occurs at the cathode.
- Exclusion statement: Labeling an electrode as positive or negative will not be assessed on the AP Exam.

עברית

מטרות למידה 9.8.A: הסבר הקשר בין רכיבים פיזיים של תא אלקטרוכימי לעקרונות הפעולה הכלליים של התא.

9.8.A.1 לכל רכיב בתא אלקטרוכימי (אלקטרודות, פתרונות בתאים מחציתיים, גשר מלחים, מכשיר מדידת מתח/זרם) יש תפקיד ספציפי בתפקוד הכללי של התא. מאפייני הפעולה של התא (גלבני לעומת אלקטרוליטי, כיוון זרימת האלקטרונים, התגובות המתרחשות בכל תא מחציתי, שינוי במסת האלקטרודה, שחרור גז באלקטרודה, זרימת יונים דרך גשר המלחים) יכולים להתואר גם ברמה המacroscopic וגם ברמה החלקיקית.
9.8.A.2 תאים גלבניים, לעיתים קרובות המכונים וולטאיים, מעורבים בתגובה תרמודינמית ברורה, בעוד שתאים אלקטרוליטיים מעורבים בתגובה שאינה תרמודינמית ברורה. תמונות ויזואליות של תאים גלבניים ואלקטרוליטיים הן כלי ניתוח לזיהוי אين מתרחשות תגובות מחצית ובאיזה כיוון זורם הזרם.
9.8.A.3 עבור כל תא אלקטרוכימי, חמצון מתרחש באנודה והתכתבות מתרחשת בקתודה.
- הצהרת חריגה: סימון אלקטרודה כחיובית או שלילית לא יהיה נבחן במבחן AP.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨מקור: תיאור הקורס והמבחן של College Board AP⁩

English

The galvanic cell

Redox reactions can move electrons through a wire:

A galvanic (voltaic) cell 原电池 uses a favorable reaction ($\Delta G<0$) to produce electricity – a battery.
An electrolytic cell 电解池 uses electricity to force an unfavorable reaction ($\Delta G>0$).

In both, oxidation happens at the anode 阳极 and reduction at the cathode 阴极.

עברית

התא הגלבני

תגובות אוקסידציה-רידוקציה יכולות להעביר אלקטרונים דרך חוט:

תא גלווני עם גשר מלחים ומד-מתח — תא גלבני עם גשר מלחים ומד-מתח

תא גלבני (וולטאי) משתמש בתגובה רצויה ($\Delta G<0$) ליצירת חשמל – סוללה.
תא אלקטרוליטי משתמש בחשמל כדי לכפות תגובה לא רצויה ($\Delta G>0$).

בשניהם, אוקסידציה מתרחשת באנודה ורידוקציה בקתודה.

סוללות מסחריות: תאים גלוניים ממירים אנרגיה חופשית כימית לעבודה חשמלית — סוללות מסחריות: תאי גלבניים ממירים אנרגיה חופשית כימית לעבודה חשמלית

Explore · ⁨חקור⁩

Transfer electrons in a cell · ⁨העברת אלקטרונים בתא⁩

In a galvanic cell a spontaneous redox reaction drives electrons through a wire, doing electrical work; oxidation at one electrode, reduction at the other. · ⁨בתוך תא גלבני תגובת חמצון-חזור ספונטנית מניעה אלקטרונים דרך חוט, ובכך מבצעת עבודה חשמלית; חמצון מתרחש באחד האלקטרודות והרדוקציה באלקטרודה השנייה.⁩

9.9

Cell Potential and Free Energy · ⁨פוטנציאל תא ואנרגיה חופשית⁩

Syllabus · ⁨סיילבוס⁩

Learning Objective

Essential Knowledge

9.9.A
Explain whether an electrochemical cell is thermodynamically favored, based on its standard cell potential and the constituent half-reactions within the cell.

9.9.A.1 Electrochemistry encompasses the study of redox reactions that occur within electrochemical cells. The reactions are either thermodynamically favored (resulting in a positive voltage) or thermodynamically unfavored (resulting in a negative voltage and requiring an externally applied potential for the reaction to proceed).
9.9.A.2 The standard cell potential of electrochemical cells can be calculated by identifying the oxidation and reduction half-reactions and their respective standard reduction potentials.
9.9.A.3 $\Delta G^{\circ}$ (standard Gibbs free energy change) is proportional to the negative of the cell potential for the redox reaction from which it is constructed. Thus, a cell with a positive $E^{\circ}$ involves a thermodynamically favored reaction, and a cell with a negative $E^{\circ}$ involves a thermodynamically unfavored reaction.
- Equation: $\Delta G^{\circ} = -nFE^{\circ}$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨מקור: תיאור הקורס והמבחן של College Board AP⁩

English

The cell potential 电池电势 $E^\circ_{\text{cell}}$ measures the driving force in volts, found from standard reduction potentials ($E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$). It links to free energy by

$$\Delta G^\circ = -nFE^\circ_{\text{cell}},$$

where $n$ is moles of electrons and $F$ the Faraday constant. A positive $E^\circ_{\text{cell}}$ means a favorable (galvanic) reaction.

Worked example. A cell pairs a copper cathode ($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$, $E^\circ=+0.34\ \text{V}$) with a zinc anode ($\text{Zn}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Zn}$, $E^\circ=-0.76\ \text{V}$). The cell potential is

$$E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}=0.34-(-0.76)=1.10\ \text{V}.$$

It is positive, so the reaction is spontaneous and the cell (a Daniell cell) acts as a battery.

עברית

הפוטנציאל של תא $E^\circ_{\text{cell}}$ מודד את כוח הנהיג בוולט, המצויה מתוך פוטנציאלים סטנדרטיים להקצה ($E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$). הוא מקושר לאנרגיה חופשית על ידי

$$\Delta G^\circ = -nFE^\circ_{\text{cell}},$$

כאן $n$ הוא מספר מולות אלקטרונים ו$F$ הוא קבוע פארדיי. חיובי $E^\circ_{\text{cell}}$ מעיד על תגובה יעילה (גלבנית).

סדרה אלקטרוכימית של פוטנציאלים סטנדרטיים של אלקטרודה — הסדרה האלקטרוכימית של פוטנציאלים סטנדרטיים של אלקטרודה

דוגמה מוצגת. תא זוגי קתודה נחושת ($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$, $E^\circ=+0.34\ \text{V}$) עם אנודה אבץ ($\text{Zn}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Zn}$, $E^\circ=-0.76\ \text{V}$). הפוטנציאל של התא הוא

$$E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}=0.34-(-0.76)=1.10\ \text{V}.$$

הוא חיובי, ולכן התגובה היא ספונטנית והתא (תא דניאל) פועל כמוסך.

Vocabulary · ⁨מילון מונחים⁩ Train · ⁨אימון⁩

English	עברית
anode/ˈænəʊd/	אנודה
cathode/ˈkæθəʊd/	קתודה
cell potential/sel pəˈtenʃl/	פוטנציאל תא
Nernst equation/nɜːnst ɪˈkweɪʒn/	משוואת נרנסט

9.10

Cell Potential Under Nonstandard Conditions · ⁨פוטנציאל תא בתנאים שאינם סטנדרטיים⁩

Syllabus · ⁨סיילבוס⁩

English

Learning Objective 9.10.A: Explain the relationship between deviations from standard cell conditions and changes in the cell potential.

9.10.A.1 In a real system under nonstandard conditions, the cell potential will vary depending on the concentrations of the active species. The cell potential is a driving force toward equilibrium; the farther the reaction is from equilibrium, the greater the magnitude of the cell potential.
9.10.A.2 Equilibrium arguments such as Le Châtelier's principle do not apply to electrochemical systems, because the systems are not in equilibrium.
9.10.A.3 The standard cell potential $E^{\circ}$ corresponds to the standard conditions of $Q = 1$. As the system approaches equilibrium, the magnitude (i.e., absolute value) of the cell potential decreases, reaching zero at equilibrium (when $Q = K$). Deviations from standard conditions that take the cell further from equilibrium than $Q = 1$ will increase the magnitude of the cell potential relative to $E^{\circ}$. Deviations from standard conditions that take the cell closer to equilibrium than $Q = 1$ will decrease the magnitude of the cell potential relative to $E^{\circ}$. In concentration cells, the direction of spontaneous electron flow can be determined by considering the direction needed to reach equilibrium.
9.10.A.4 Algorithmic calculations using the Nernst equation are insufficient to demonstrate an understanding of electrochemical cells under nonstandard conditions. However, students should qualitatively understand the effects of concentration on cell potential and use conceptual reasoning, including the qualitative use of the Nernst equation:
- Equation: $E = E^{\circ} - (RT/nF) \ln Q$
to solve problems.

עברית

מטרת למידה 9.10.A: הסבר הקשר בין סטיות מתנאי תא סטנדרטיים לבין שינויים בפוטנציאל התא.

9.10.A.1 במערכת אמיתית בתנאים לא-סטנדרטיים, פוטנציאל התא משתנה בהתאם לריכוזי המינים הפעילים. פוטנציאל התא הוא כוח מניע לעבר איזון; ככל שהתגובה רחוקה יותר מאיזון, כך גדולה ערך המוחלט של פוטנציאל התא.
9.10.A.2 ארגומנטים לגבי איזון כמו עקרון לה-שטלייה אינם חלים על מערכות אלקטרוכימיות, שכן המערכות אינן נמצאות באיזון.
9.10.A.3 פוטנציאל התא הסטנדרטי $E^{\circ}$ מקביל לתנאים הסטנדרטיים של $Q = 1$. ככל שהמערכת מתקרבת לאיזון, הערך המוחלט (כלומר, הערך המוחלט) של פוטנציאל התא יורד, ועובר לאפס באיזון (כשה-$Q = K$). סטיות מתנאים סטנדרטיים שמרחיקות את התא further מאיזון מאשר $Q = 1$ יגדילו את הערך המוחלט של פוטנציאל התא ביחס ל-$E^{\circ}$. סטיות מתנאים סטנדרטיים שמקרבות את התא closer לאיזון מאשר $Q = 1$ יורידו את הערך המוחלט של פוטנציאל התא ביחס ל-$E^{\circ}$. בתאי ריכוז, כיוון זרימת האלקטרונים הספונטנית ניתן לקבוע על ידי בחינת הכיוון הנדרש כדי להגיע לאיזון.
9.10.A.4 חישובים אלגוריתמיים בעזרת משוואת נרנסט אינם מספיקים כדי להראות הבנה של תאים אלקטרוכימיים בתנאים לא-סטנדרטיים. עם זאת, סטודנטים צריכים להבין באופן איכותי את השפעת הריכוז על פוטנציאל התא ולשתמש בסיבה קונספטואלית, כולל השימוש האיכותי במשוואת נרנסט:
- משוואה: $E = E^{\circ} - (RT/nF) \ln Q$
לפתור בעיות.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨מקור: תיאור הקורס והמבחן של College Board AP⁩

English

Away from standard conditions, the potential shifts with concentration – the Nernst equation 能斯特方程 (qualitatively): as reactants are consumed, $Q$ rises and $E_{\text{cell}}$ falls, reaching zero at equilibrium (a dead battery). Changing a concentration shifts $E_{\text{cell}}$ the way Le Chatelier predicts.

עברית

רחוק מתנאים סטנדרטיים, הפוטנציאל משתנה בהתאם לריכוז – משוואת נרנס (מבחינה איכותנית): כאשר תגובות נצרכות, $Q$ עולה ו$E_{\text{cell}}$ יורד, עד שיווי משקל (מוסך ריק). שינוי בריכוז מזיז את $E_{\text{cell}}$ כפי שהלה-שלטליה צופה.

9.11

Electrolysis and Faraday's Law · ⁨אלקטרוליזה וחוק פארדיי⁩

Syllabus · ⁨סיילבוס⁩

English

Learning Objective 9.11.A: Calculate the amount of charge flow based on changes in the amounts of reactants and products in an electrochemical cell.

9.11.A.1 Faraday's laws can be used to determine the stoichiometry of the redox reaction occurring in an electrochemical cell with respect to the following:
- 9.11.A.1.i Number of electrons transferred
- 9.11.A.1.ii Mass of material deposited on or removed from an electrode (as in electroplating)
- 9.11.A.1.iii Current
- 9.11.A.1.iv Time elapsed
- 9.11.A.1.v Charge of ionic species
- Equation: $I = q/t$

עברית

מטרת למידה 9.11.A: לחשב את כמות הזרם החשמלי בהתבסס על שינויים בכמויות המגיבים והמוצרים בתא אלקטרוכימי.

9.11.A.1 חוקי פארדי יכולים לשמש לקביעת הסטוכיומטריה של תגובת החמצון-העכבה המתרחשת בתא אלקטרוכימי בהתייחס למהלך הבא:
- 9.11.A.1.i מספר האלקטרונים המועברים
- 9.11.A.1.ii מסת החומר המופקד על או מוסר ממקטב (כמו באלקטרופלטינג)
- 9.11.A.1.iii זרם חשמלי
- 9.11.A.1.iv הזמן שעבר
- 9.11.A.1.v מטען המינים האיוניים
- משוואה: $I = q/t$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨מקור: תיאור הקורס והמבחן של College Board AP⁩

English

Electrolysis

In electrolysis 电解, the charge passed determines how much substance is deposited or produced – Faraday's law 法拉第定律. Convert current × time to charge, charge to moles of electrons ($F=96{,}485$ C/mol), then use the half-reaction's electron ratio to get moles (and mass) of product.

Worked example. A current of $2.0\ \text{A}$ flows for $30\ \text{minutes}$ through copper(II) sulfate ($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$). How much copper is deposited? The charge is $Q=It=2.0\times1800=3600\ \text{C}$, giving $3600/96485=0.0373\ \text{mol}$ of electrons. Since each Cu needs $2$ electrons, $0.0187\ \text{mol}$ of Cu forms, a mass of $0.0187\times63.5=1.2\ \text{g}$.

עברית

אלקטרוליזה

באלקטרוליזה, המטען העובר קובע כמה חומר יושקע או ייוצר – חוק פארדיי. ממירים זרם × זמן למטען, מטען למולות אלקטרונים ($F=96{,}485$ C/mol), ולאחר מכן משתמשים ביחס האלקטרונים בתגום החצי כדי לקבל מולות (ומסה) של מוצר.

אלקטרוליזה: יונים נעים לכיוון האלקטרודות ומופרדים — אלקטרוליזה: יונים נעים אל האלקטרודות ומתפרקים

דוגמה מוצגת. זרם של $2.0\ \text{A}$ עובר במשך $30\ \text{minutes}$ דרך נחושת(II) גופריתית ($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$). כמה נחושת ישוקע? המטען הוא $Q=It=2.0\times1800=3600\ \text{C}$, מה שמספק $3600/96485=0.0373\ \text{mol}$ של אלקטרונים. מכיוון שכל Cu דורש $2$ אלקטרונים, נוצרים $0.0187\ \text{mol}$ של Cu, במסה של $0.0187\times63.5=1.2\ \text{g}$.

Explore · ⁨חקור⁩

Electrolyse a molten salt · ⁨אלקטרוליזה של מלח נוזל⁩

Electrolysis uses current to force a non-spontaneous reaction: positive ions gain electrons at the cathode, negative ions lose them at the anode. Charge sets the amount deposited. · ⁨אלקטרוליזה משתמשת בזרם כדי לכפות תגובה לא ספונטנית: יונים חיוביים מקבלים אלקטרונים בקתודה, ויונים שליליים מאבדים אותם באנודה. המטען קובע את הכמות שמצטברת.⁩

Vocabulary · ⁨מילון מונחים⁩ Train · ⁨אימון⁩

English	עברית
electrolytic cell/ɪˌlektrəˈlɪtɪk sel/	תא אלקטרוליטי
electrolysis/ɪlekˈtrɒləsɪs/	אלקטרוליזה
Faraday's law/ˈfærədeɪz lɔː/	חוק פאראדיי

9.11

Exam tips · ⁨טיפים לבחינות⁩

English

A process is thermodynamically favourable when $\Delta G<0$; combine enthalpy and entropy with $\Delta G=\Delta H-T\Delta S$ (match units — kJ vs J).
Entropy increases solid→liquid→gas and when more gas moles are produced.
Favourable does not mean fast — a high activation energy can make a $\Delta G<0$ reaction extremely slow (kinetic control).
In electrochemistry a positive $E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$ means a spontaneous (galvanic) cell; oxidation is at the anode, reduction at the cathode.
In electrolysis the charge passed ($Q=It$) fixes the amount deposited (Faraday's law).

עברית

תהליך הוא תרמודינמי יעיל כאשר $\Delta G<0$; משלבים אנטלפיה ואנטרופיה עם $\Delta G=\Delta H-T\Delta S$ (התאמת יחידות — kJ לעומת J).
אנטרופיה עולה ממוצק→נוזל→גז וכאן נוצרים יותר מולות גז.
יעילות לא פירושה מהירות – אנרגיית השפעול הגבוהה יכולה לגרום לתגובה $\Delta G<0$ being extremely slow (kinetic control).
באלקטרוכימיה חיובי $E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$ מעיד על תא ספונטני (גלבני); חמצון מתרחש באנודה, הקצה בקתודה.
באלקטרוליזה המטען העובר ($Q=It$) קובע את הכמות היושעת (חוק פארדיי).

Interactive lessons on this topic · ⁨שיעורים אינטראקטיביים בנושא זה⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨לעבור על הדברים צעד אחר צעד, עם תרגילים לבדיקה מיידית.⁩

Past Papers · ⁨מבחני עבר⁩

More topics in AP Chemistry · ⁨כימיה AP⁩ · ⁨נושאים נוספים בAP Chemistry · ⁨כימיה AP⁩⁩