Mikä on standardipotentiaali ja mikä määrittelee Nernst-yhtälön?

Standardielektrodin potentiaali määritellään jännitteeksi standardiolosuhteissa puolikennon tai puolikennon ollessa kyseessä, kun vetyelektrodi on vertailuelektrodi. Samaan aikaan Nernst-yhtälö mahdollistaa potentiaalisen vaihtelun laskemisen, kun pitoisuus- ja painearvot poikkeavat standardiarvoista.

Lainaus (APA)

Candela Rocío Barbisan | elokuu 2022
Kemian insinööri

Ensinnäkin on tarpeen ymmärtää solupotentiaalin käsite. Valmistettaessa a solu galvaaninen tai akku Energiaa redox-reaktion tuottaa liikettä elektronien kulkeutumista johtimen läpi kytkimien kapasiteetista riippuen, jotta tämä virtaus saadaan aikaan vahvuus liikkeellepaneva voima Tämä sähköinen suuruus mitataan potentiaalierolla tai Jännite ja tunnetaan nimellä sähkömotorinen voima tai FEM. Tämä EMF voidaan mitata esimerkiksi volttimittarilla.

Kun tämä potentiaaliero mitataan standardiolosuhteissa, sitä kutsutaan standardielektrodipotentiaaliksi tai \(fe{{m}^{{}^\circ }}\) tai \(∆{{E}^{{}^ \circ }}\). Vakioolosuhteet viittaavat puhtaiden kiinteiden aineiden ja nesteiden pitoisuuksiin 1 mol/L ja kaasuihin 1 atm paineessa.

Koska eristetyn elektrodin potentiaalia ei ole mahdollista mitata, tarvitaan elektronien virtaa kahden elektrodin välillä. napojen, elektrodin potentiaali voidaan määrittää antamalla yhdelle niistä nolla-arvo ja tietämällä sen ∆E. solu. Tätä varten potentiaaliero mitataan referenssiin, standardiin vetyelektrodiin (SHE), jossa platinaelektrodi (inertti) Se on suljettu lasiputkeen, jossa kaasumaista vetyä kuplitetaan 1 atm: n osapaineessa, tietyssä liuoksessa 25 ºC: ssa ja 1 mol/l keskittyminen. Sopimuksen mukaan tämän elektrodin potentiaaliarvo mainituissa standardiolosuhteissa on 0 V, koska siinä tapahtuu H: n hapettumista.₂ (g) ja H: n pelkistys⁺ ratkaisussa.

Katsotaanpa Daniell-kennolle sovellettua tapausta, jossa taulukoitujen arvojen mukaan elektrodien standardipotentiaalit ovat: Zn: n (s) hapetukselle -0,76 V ja Cu+2:n pelkistykselle 0,34 V. Sitten arvo \(∆{{E}^{{}^\circ }}\) johtuu erosta standardipelkistys- ja hapetuspotentiaalin välillä: 0,34 V – (-0,76 V) = 1,10 V. Koska \(∆{{E}^{{}^\circ }}\) on positiivinen, reaktio on spontaani.

Solun standardipotentiaalin ja sen vakion välillä on suhde. Saldo. Tiedämme, että reaktion standardi vapaa energia on:

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

Missä n on redox-prosessissa peliin tulevien elektronien lukumäärä, F on Faradayn vakio (96485 C/mooli elektroneja) ja \(∆{{E}^{{}^\circ }}\)kennon potentiaaliero olosuhteissa standardit.

Samoin \(∆{{G}^{{}^\circ }}\) liittyy prosessin tasapainovakioon:

\(∆{{G}^{{}^\circ }}=-RTlnK\)

Tasaamalla molemmat lausekkeet voidaan löytää tasapainovakion K ja standardipotentiaalin välinen suhde:

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

Olettaen nyt, että hapetus-pelkistysreaktio suoritetaan normaaleista poikkeavissa olosuhteissa, tämä potentiaali on laskettava uudelleen. Tätä varten saksalainen tiedemies Nernst kehitti lausekkeen, joka yhdistää akun vakiopotentiaalin sen potentiaaliin eri olosuhteissa, jotka ovat:

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

Q on reaktioosamäärä ja R ilmaistuna J/mol. K.

On yleistä löytää erilaisia ​​tai yksinkertaistettuja Nernst-yhtälön lausekkeita, jos esimerkiksi määritämme lämpötila 298 K prosessiin ja muuntaa logaritmi luonnollinen desimaalilogaritmissa, lauseke johtaa:

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

On helposti tunnistettavissa, että kun kenno alkaa toimia ja lähtöaineita kulutetaan tuottaen tuotteita, Q: n arvo alkaa määritelmänsä mukaan nousta, kunnes \(∆E\)=0. Tällä hetkellä järjestelmä on tasapainossa ja Q = Keq.

Katsotaanpa esimerkkiä Daniell-soluun sovelletusta Nernst-yhtälöstä. Muistetaan, että standardipotentiaali oli 1,1 V (kuten näimme aiemmin), jos muutamme pitoisuuksia, oletetaan, että meillä on nyt Cu-liuoksia⁺² 0,3 mol/l ja Zn⁺² 3 mol/l (1 mol/l sijasta). Solun potentiaali 298 K: ssa ilmaistaan ​​seuraavasti:

\(∆E=1.1~V-\frac{0.05916~V~}{2}\log \left( \frac{3}{0.3} \right)=1.07~V\)