Mis on standardpotentsiaal ja mis määratleb Nernsti võrrandi?

Elektroodi standardpotentsiaal on määratletud pingena poolelemendi või poolelemendi standardtingimustes, võttes võrdluselektroodiks vesinikelektroodi. Samal ajal on Nernsti võrrand see, mis võimaldab arvutada potentsiaalset kõikumist, kui kontsentratsiooni ja rõhu väärtused erinevad standardväärtustest.

Tsitaat (APA)

Candela Rocío Barbisan | augustil 2022
Keemiainsener

Kõigepealt on vaja mõista rakupotentsiaali mõistet. Valmistades a kamber galvaaniline või aku Energia redoksreaktsiooni tekitab liikumine elektronide läbimine läbi juhi sõltuvalt sidemete võimsusest, et võimaldada seda voolu, vastavalt tugevus liikumapanev jõud Seda elektrilist suurust mõõdetakse potentsiaalide erinevuse või kaudu Pinge ja on tuntud kui elektromotoorjõud või FEM. Seda EMF-i saab mõõta näiteks voltmeetriga.

Kui seda potentsiaali erinevust mõõdetakse standardtingimustes, nimetatakse seda standardelektroodi potentsiaaliks või \(fe{{m}^{{}^\circ }}\) või \(∆{{E}^{{}^ \circ }}\). Standardtingimused viitavad puhaste tahkete ainete ja vedelike kontsentratsioonidele 1 mol/L ning gaaside kontsentratsioonile 1 atm rõhul.

Kuna isoleeritud elektroodi potentsiaali pole võimalik mõõta, on vajalik elektronide voog kahe elektroodi vahel. pooluste korral saab elektroodi potentsiaali määrata, omistades ühele neist nullväärtuse ja teades ∆E kamber. Selleks mõõdetakse potentsiaalide erinevust võrdlusaluse, standardse vesiniku elektroodi (SHE) suhtes, kus plaatina elektrood (inertne) See on suletud klaastorusse, kus mullitatakse gaasilist vesinikku osarõhul 1 atm, teatud lahuses temperatuuril 25 °C ja 1 mol/l kontsentratsioon. Kokkuleppeliselt on selle elektroodi potentsiaalne väärtus mainitud standardtingimustes 0 V, kuna selles toimub H oksüdatsioon.₂ (g) ja H redutseerimine⁺ lahuses.

Vaatame Daniell Cell'i puhul rakendatud juhtumit, kus elektroodide standardpotentsiaalid tabeliväärtuste järgi on: Zn (s) oksüdeerimiseks -0,76 V ja Cu+2 redutseerimiseks 0,34 V. Seejärel tuleneb \(∆{{E}^{{}^\circ }}\) väärtus standardsete redutseerimis- ja oksüdatsioonipotentsiaalide erinevusest: 0,34 V – (-0,76 V) = 1,10 V. Kuna \(∆{{E}^{{}^\circ }}\) on positiivne, on reaktsioon spontaanne.

Raku standardpotentsiaali ja selle konstandi vahel on seos. Tasakaal. Teame, et reaktsiooni standardne vaba energia on:

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

Kus n on redoksprotsessis mängu sattunud elektronide arv, F on Faraday konstant (96485 C/mol elektrone) ja \(∆{{E}^{{}^\circ }}\)raku potentsiaalide erinevus tingimustes standarditele.

Samamoodi on \(∆{{G}^{{}^\circ }}\) seotud protsessi tasakaalukonstandiga:

\(∆{{G}^{{}^\circ }}=-RTlnK\)

Mõlema avaldise võrdsustamisel saab leida seose tasakaalukonstandi K ja standardpotentsiaali vahel:

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

Nüüd, eeldades, et oksüdatsiooni-redutseerimisreaktsioon viiakse läbi tavapärastest erinevates tingimustes, tuleb see potentsiaal ümber arvutada. Selleks töötas Saksa teadlane Nernst välja väljendi, mis seob aku standardpotentsiaali selle potentsiaaliga erinevates tingimustes, mis on:

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

Q on reaktsiooni jagatis ja R on väljendatud J/mol. K.

Tavaliselt leidub Nernsti võrrandi erinevaid või lihtsustatud avaldisi, näiteks kui omistame temperatuuri 298 K protsessi ja teisendab logaritm naturaalne kümnendlogaritmis, annab avaldise tulemuseks:

\(∆E=∆{{E}^{{}^\circ }}-\frac{0,05916~V~}{n~}\log Q\)

On kergesti tuvastatav, et kui rakk hakkab töötama ja reagendid tarbitakse produktide tekitamiseks, hakkab Q väärtus vastavalt selle definitsioonile kasvama kuni \(∆E\)=0. Sel hetkel on süsteem tasakaalus ja Q = Keq.

Vaatame Danielli rakule rakendatud Nernsti võrrandi näidet. Tuletades meelde, et standardpotentsiaal oli 1,1 V (nagu nägime varem), siis kui me muudame kontsentratsioone, oletame, et meil on nüüd Cu lahused⁺² 0,3 mol/l ja Zn⁺² 3 mol/l (1 mol/l asemel). Raku potentsiaal 298 K juures saadakse järgmiselt:

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