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    半反応のエネルギーバランスと標準電極電位


    • 　電子のもつエネルギーを考慮して半反応式のエネルギーバランスを考えましょう。

      　ところで、電荷（電子など）があるところには電場が生じ、その電荷は、電場の電位に応じたエネルギーをもっています。

      ややこしい説明はどうでもよいから、

      「ある電位E (V or J/C)にある電荷量q (C)は、q・Eのエネルギー(J)をもつ」

      「1モルの電子(e－)の電荷量(C)の絶対値は96485 (C/mol)であり、これをファラデー定数(F)とよぶ」

      を覚えること。


      これもややこしいから、以下の式だけは必ず覚えること。

      「n モルの電子がもつエネルギー 」＝　－n・F・E

      　F：ファラデー定数96485 (C/mol)、E：電位(V or J/C)


      　ファラデー定数は、1モルの電子が持つ電荷量の絶対値です。電子はマイナス電荷なので、マイナスのエネルギーを持ちます。したがって、上の式では電位にファラデー定数をかけて、マイナスをくっ付けているのです。


      ※電子は負電荷だから、エネルギーの式にはマイナスがつくことを忘れない。



    • 半反応の標準電極電位を求める例題


      　有機物酸化の半反応①で移動する電子4e-に生じる電位をE①(V)とします。

      　ボルト（V）の単位は（J / C）と換算できます。J（ジュール）はエネルギーの単位、C（クーロン）は電荷量の単位です。1モルの電子がもつ電荷量の絶対値は、ファラデー定数（F）96485 (C / mol)で与えられます。

      　したがって、半反応式①の電子4e-がもつエネルギーは、－4・F・E① (J)です。

      　この電子がもつエネルギーを含めて、各物質の標準生成ギブズエネルギーを半反応式の下に記し、半反応の左辺と右辺でエネルギーがバランスする式を解きます。

                                                                                                                                   

      有機物酸化の半反応の標準電極電位

                                                （原形）                          （生成形）

      ①                        CO2  +   4H+   +    4e-   =    CH2O    +     H2O

      Gf0 (kJ/mol)        －385        0                        －129.7      －237.18

      電気エネルギー(J)                           －4FE①

       

      左辺と右辺の合計エネルギーがバランスする式：

      －385・103　－4FE①    =   －129.7・103 －237.18・103

       

      未知数 E① を求めます。

      E①    =  (－129.7・103 －237.18・103＋ 385・103)／(－4・96485) = －0.05 (V)


      　これは、左辺（原形）と右辺（生成形）の標準生成ギブズエネルギーの合計差（生成形－原形）が4電子に与えられることを意味します。酸化還元反応では、この電子に与えられたエネルギーを使って化学結合を組み直すのです。

      　そのエネルギーから計算される電位（E①）を、その半反応の標準電極電位とよびます。標準生成ギブズエネルギーは物質に固有の値を持つので、半反応式ごとに固有の標準電極電位をもつのです。

                                                                                                                                   


    • 酸素呼吸において、

      酸素分子が還元される半反応式②の標準電極電位を求めます。

                                                                                                                                   

      酸素呼吸（酸素還元）

      ②          　　　　　 O2 　+ 　4H+ 　　+　4e- 　　= 　　 2H2O    

      Gf0 (kJ/mol)        　　0         0                                 2（－237.18）

      電気エネルギー(J)                             －4FE②

      エネルギーバランス：－4FE②　＝ 2（－237.18・103）

      E② =  2（－237.18・103）／ (－4・96485) = 1.23 (V)                                             


    • 硫酸還元の半反応の標準電極電位を求めます。

                                                                                                                                   

      硫酸呼吸（硫酸還元）

      ④                      SO42-   +   10H+   +   8e-   =  H2S   +   4H2O

      Gf0 (kJ/mol) 　　－744.5                  0                      －27.78    4(－237.18)

      電気エネルギー(J)                             －8FE④

      エネルギーバランス：－744.5・103－8FE④　＝　－27.78・103－4・237.18・103

      E④ =  （－27.78・103－4・237.18・103＋744.5・103）／ (－8・96485) = 0.30 (V)

       

      ※ギブズエネルギーの単位にキロ(k)がついているので、1000倍することを忘れない



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