Khi nối hai bán nguyên tố Ganvani thành một cặp điện hóa (nguyên tố
Ganvani) và nối hai điện cực này bằng dây dẫn điện thì sẽ tạo thành mạch điện hóa. Hiệu thếở hai đầu mạch điện hóa khi cân bằng có liên quan mật thiết với sự
biến thiên năng lượng tự do G trong phản ứng hóa học tương ứng. Hiệu thế này
được gọi là suất điện động.
Một nguồn suất điện động có thể được xem như một loại “bơm điện tích” gây ra sự di chuyển điện tích dương từ một điểm có điện thế thấp đến một điểm có
điện thế cao. Khi đó, suất điện động E của nguồn thực hiện công dW lên điện tích
dq làm nó di chuyển đến điểm có điện thế cao hơn được tính bằng:
dq dW
E= (2.5)
Suất điện động liên hệ với độ biến thiên năng lượng tự do G theo phương trình sau:
EdN VdP SdT
dG=− + + (2.6)
trong đó: G là năng lượng tự do Gibbs; S là entropy, V là thể tích hệ, P là áp suất và T là nhiệt độ tuyệt đối, dN là số mol của các hạt ion vào dung dịch.
Khi nhiệt độ và áp suất không đổi, phương trình (2.6) trở thành:
EdN
dG= (2.7)
Nếu có 1 (mol) của các ion vào trong dung dịch, điện tích qua mạch ngoài sẽ
là:
nF N=−
∆ (2.8)
Trong đó: n là sốđiện tử hoặc ion, F là hằng số Faraday Dấu "-" cho biết có sự phóng điện trong pin.
Thay (2.8) vào (2.7), ta được:
nFE
dG=− (2.9)
Tổng quát, đối với các phản ứng bất kỳ thực hiện trong mạch điện hóa khi có
n điện tử tham gia phản ứng thì suất điện động được biểu diễn bằng công thức:
nF G
E=−∆ (2.10)
trong đó: ∆G là độ biến thiên năng lượng tự do Gibbs.
Đại lượng nFE rút ra từ phương trình (2.10) đặc trưng cho công điện cực đại có thể nhận được [8].