Τι είναι το Τυπικό Δυναμικό και τι ορίζει την Εξίσωση Nernst;

Το τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου ορίζεται ως η τάση υπό τυπικές συνθήκες ενός μισού στοιχείου ή μισού στοιχείου, λαμβάνοντας το ηλεκτρόδιο υδρογόνου ως ηλεκτρόδιο αναφοράς. Εν τω μεταξύ, η εξίσωση Nernst είναι αυτή που επιτρέπει τον υπολογισμό της διακύμανσης του δυναμικού όταν οι τιμές συγκέντρωσης και πίεσης αποκλίνουν από τις τυπικές τιμές.

Προσφορά (APA)

Candela Rocío Barbisan | Αύγ. 2022
ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ

Πρώτα απ 'όλα, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε την έννοια του κυτταρικού δυναμικού. Κατά την προετοιμασία ενός κύτταρο γαλβανικό ή μπαταρία Ενέργεια της αντίδρασης οξειδοαναγωγής παράγεται από το κίνηση των ηλεκτρονίων μέσω ενός αγωγού ανάλογα με την ικανότητα των συζεύξεων να επιτρέπουν αυτή τη ροή, σύμφωνα με το δύναμη κινητήρια δύναμη Αυτό το ηλεκτρικό μέγεθος μετριέται μέσω της διαφοράς δυναμικού ή Τάση και είναι γνωστό ως ηλεκτροκινητική δύναμη ή FEM. Αυτό το EMF μπορεί να μετρηθεί μέσω ενός βολτόμετρου, για παράδειγμα.

Όταν αυτή η διαφορά δυναμικού μετριέται υπό τυπικές συνθήκες, είναι γνωστή ως τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου ή \(fe{{m}^{{}^\circ }}\) ή \(∆{{E}^{{}^ \circ }}\). Οι τυπικές συνθήκες αναφέρονται σε συγκεντρώσεις καθαρών στερεών και υγρών 1 mol/L και αερίων σε πίεση 1 atm.

Δεδομένου ότι δεν είναι δυνατό να μετρηθεί το δυναμικό ενός απομονωμένου ηλεκτροδίου, απαιτείται ροή ηλεκτρονίων μεταξύ δύο ηλεκτροδίων. πόλους, το δυναμικό ενός ηλεκτροδίου μπορεί να προσδιοριστεί εκχωρώντας τη μηδενική τιμή σε έναν από αυτούς και γνωρίζοντας το ΔE του κύτταρο. Για να γίνει αυτό, η διαφορά δυναμικού μετράται έναντι μιας αναφοράς, του τυπικού ηλεκτροδίου υδρογόνου (SHE), όπου το ηλεκτρόδιο πλατίνας (αδρανές) Είναι κλεισμένο σε γυάλινο σωλήνα όπου διοχετεύεται αέριο υδρογόνο σε μερική πίεση 1 atm, σε ορισμένο διάλυμα στους 25ºC και 1 mol/L συγκέντρωση. Κατά σύμβαση, η δυναμική τιμή αυτού του ηλεκτροδίου υπό τις τυπικές συνθήκες που αναφέρονται είναι 0 V, αφού η οξείδωση του Η συμβαίνει σε αυτό.₂ (ζ) και η μείωση του H⁺ σε λύση.

Ας δούμε την περίπτωση που εφαρμόζεται στο κύτταρο Daniell, όπου με πινακοποιημένες τιμές τα τυπικά δυναμικά των ηλεκτροδίων είναι: για την οξείδωση του Zn (s) -0,76 V και για τη μείωση του Cu+2, 0,34 V. Στη συνέχεια, η τιμή του \(∆{{E}^{{}^\circ }}\) προκύπτει από τη διαφορά μεταξύ του τυπικού δυναμικού αναγωγής και οξείδωσης που είναι: 0,34 V – (-0,76 V) = 1,10 V. Εφόσον το \(∆{{E}^{{}^\circ }}\) είναι θετικό, η αντίδραση είναι αυθόρμητη.

Υπάρχει μια σχέση μεταξύ του τυπικού δυναμικού του κυττάρου και της σταθεράς του. Ισορροπία. Γνωρίζουμε ότι η τυπική ελεύθερη ενέργεια αντίδρασης είναι:

\(∆{{G}^{{}^\circ }}=-nF∆{{E}^{{}^\circ }}\)

Όπου n είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που παίζουν στη διαδικασία οξειδοαναγωγής, το F είναι η σταθερά του Faraday (96485 C/mole ηλεκτρονίων) και \(∆{{E}^{{}^\circ }}\)τη διαφορά δυναμικού του κυττάρου υπό συνθήκες πρότυπα.

Ομοίως, το \(∆{{G}^{{}^\circ }}\) σχετίζεται με τη σταθερά ισορροπίας της διαδικασίας:

\(∆{{G}^{{}^\circ }}=-RTlnK\)

Εξισώνοντας και τις δύο παραστάσεις, μπορεί να βρεθεί η σχέση μεταξύ της σταθεράς ισορροπίας K και του τυπικού δυναμικού:

\(lnK=\frac{n~F~∆{{E}^{{}^\circ }}~}{R~T}\)

Τώρα, αν υποτεθεί ότι η αντίδραση οξείδωσης-αναγωγής διεξάγεται υπό συνθήκες διαφορετικές από τις τυπικές, αυτό το δυναμικό πρέπει να υπολογιστεί εκ νέου. Για να γίνει αυτό, ο Γερμανός επιστήμονας Nernst ανέπτυξε μια έκφραση που συσχετίζει το τυπικό δυναμικό της μπαταρίας με το δυναμικό της υπό διαφορετικές συνθήκες, όπως:

\(∆E=∆{{E}^{{}^\circ }}-\frac{R~T~}{n~F}\ln Q\)

Το Q είναι το πηλίκο της αντίδρασης και το R εκφράζεται σε J/mol. Κ.

Είναι σύνηθες να βρίσκουμε διαφορετικές ή απλοποιημένες εκφράσεις της εξίσωσης Nernst, για παράδειγμα, εάν αποδώσουμε ένα θερμοκρασία των 298 K στη διεργασία και μετατρέπει το λογάριθμος φυσικό στον δεκαδικό λογάριθμο, η έκφραση έχει ως αποτέλεσμα:

\(∆E=∆{{E}^{{}^\circ }}-\frac{0.05916~V~}{n~}\log Q\)

Είναι εύκολα αναγνωρίσιμο ότι όταν το κύτταρο αρχίζει να λειτουργεί και τα αντιδρώντα καταναλώνονται δημιουργώντας προϊόντα, η τιμή του Q αρχίζει να αυξάνεται, σύμφωνα με τον ορισμό του, έως ότου \(∆E\)=0. Αυτή τη στιγμή, το σύστημα βρίσκεται σε ισορροπία και Q = Keq.

Ας δούμε ένα παράδειγμα της εξίσωσης Nernst που εφαρμόζεται στο κύτταρο Daniell. Υπενθυμίζοντας ότι το τυπικό δυναμικό ήταν 1,1 V (όπως είδαμε νωρίτερα), αν μεταβάλλουμε τις συγκεντρώσεις, ας υποθέσουμε ότι έχουμε τώρα διαλύματα Cu⁺² 0,3 mol/L και Zn⁺² 3 mol/L (αντί για 1 mol/L). Το δυναμικό κυψέλης στα 298 K θα δίνεται από:

\(∆E=1,1~V-\frac{0,05916~V~}{2}\log \left( \frac{3}{0,3} \right)=1,07~V\)