რა არის სტანდარტული პოტენციალი და რა განსაზღვრავს ნერნსტის განტოლებას?

სტანდარტული ელექტროდის პოტენციალი განისაზღვრება, როგორც ძაბვა ნახევრად უჯრედის ან ნახევრად უჯრედის სტანდარტულ პირობებში, წყალბადის ელექტროდის აღებისას, როგორც საცნობარო ელექტროდს. იმავდროულად, ნერნსტის განტოლება არის ის, რომელიც საშუალებას გაძლევთ გამოთვალოთ პოტენციური ცვალებადობა, როდესაც კონცენტრაცია და წნევის მნიშვნელობები გადახრილია სტანდარტული მნიშვნელობებისგან.

ციტატა (APA)

კანდელა როციო ბარბისანი | აგვ. 2022
ქიმიური ინჟინერი

უპირველეს ყოვლისა, აუცილებელია უჯრედის პოტენციალის კონცეფციის გაგება. მომზადებისას ა უჯრედი გალვანური ან ბატარეა ენერგია რედოქს რეაქციის წარმოქმნის მიერ მოძრაობა ელექტრონები გამტარში, დამოკიდებულია შეერთების სიმძლავრეზე, რათა დაუშვან ეს ნაკადი, შესაბამისად ძალა მამოძრავებელი ძალა ეს ელექტრული სიდიდე იზომება პოტენციური სხვაობის ან ვოლტაჟი და ცნობილია როგორც ელექტრომამოძრავებელი ძალა ან FEM. ეს EMF შეიძლება გაიზომოს ვოლტმეტრით, მაგალითად.

როდესაც ეს პოტენციური განსხვავება იზომება სტანდარტულ პირობებში, იგი ცნობილია როგორც სტანდარტული ელექტროდის პოტენციალი ან \(fe{{m}^{{}^\circ }}\) ან \(∆{{E}^{{}^. \circ }}\). სტანდარტული პირობები ეხება სუფთა მყარი და სითხეების კონცენტრაციებს 1 მოლ/ლ და აირებს 1 ატმოსფერო წნევის დროს.

ვინაიდან შეუძლებელია იზოლირებული ელექტროდის პოტენციალის გაზომვა, საჭიროა ელექტრონების ნაკადი ორ ელექტროდს შორის. ბოძები, ელექტროდის პოტენციალი შეიძლება განისაზღვროს ერთ-ერთ მათგანს ნულოვანი მნიშვნელობის მინიჭებით და ცოდნით ΔE. უჯრედი. ამისათვის პოტენციური განსხვავება იზომება მითითების, სტანდარტული წყალბადის ელექტროდის (SHE) მიმართ, სადაც პლატინის ელექტროდი (ინერტული) იგი ჩასმულია მინის მილში, სადაც აირისებრი წყალბადი ბუშტუკებს 1 ატმ ნაწილობრივი წნევით, გარკვეულ ხსნარში 25ºC ტემპერატურაზე და 1 მოლ/ლ. კონცენტრაცია. კონვენციით, ამ ელექტროდის პოტენციური მნიშვნელობა აღნიშნულ სტანდარტულ პირობებში არის 0 V, ვინაიდან მასში H-ის დაჟანგვა ხდება.₂ (ზ) და H-ის შემცირება⁺ ხსნარში.

ვნახოთ შემთხვევა, რომელიც გამოიყენება დანიელის უჯრედზე, სადაც ტაბულური მნიშვნელობებით ელექტროდების სტანდარტული პოტენციალია: Zn(s)-ის დაჟანგვისთვის -0,76 V და Cu+2-ის შემცირებისთვის, 0,34 ვ. შემდეგ, \(∆{{E}^{{}^\circ }}\)-ის მნიშვნელობა ჩნდება სტანდარტული შემცირებისა და დაჟანგვის პოტენციალებს შორის სხვაობის შედეგად: 0,34 ვ – (-0,76 ვ) = 1,10 ვ. ვინაიდან \(∆{{E}^{{}^\circ }}\) დადებითია, რეაქცია სპონტანურია.

არსებობს კავშირი უჯრედის სტანდარტულ პოტენციალსა და მის მუდმივობას შორის. Ბალანსი. ჩვენ ვიცით, რომ რეაქციის სტანდარტული თავისუფალი ენერგია არის:

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

სადაც n არის ელექტრონების რაოდენობა, რომლებიც მონაწილეობენ რედოქს პროცესში, F არის ფარადეის მუდმივი (96485 ელექტრონების გ/მოლი) და \(∆{{E}^{{}^\circ }}\)უჯრედის პოტენციალის სხვაობა პირობებში სტანდარტები.

ანალოგიურად, \(∆{{G}^{{}^\circ }}\) დაკავშირებულია პროცესის წონასწორობის მუდმივთან:

\(∆{{G}^{{}^\circ }}=-RTlnK\)

ორივე გამონათქვამის გათანაბრებით, წონასწორობის მუდმივ K-სა და სტანდარტულ პოტენციალს შორის კავშირი შეიძლება მოიძებნოს:

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

ახლა, თუ ვივარაუდებთ, რომ დაჟანგვა-აღდგენითი რეაქცია განხორციელდება სტანდარტულისგან განსხვავებულ პირობებში, ეს პოტენციალი ხელახლა უნდა გამოითვალოს. ამისათვის გერმანელმა მეცნიერმა ნერნსტმა შეიმუშავა გამოხატულება, რომელიც აკავშირებს ბატარეის სტანდარტულ პოტენციალს მის პოტენციალს სხვადასხვა პირობებში, ეს არის:

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

Q არის რეაქციის კოეფიციენტი და R გამოხატული J/mol-ში. კ.

ჩვეულებრივია ნერნსტის განტოლების სხვადასხვა ან გამარტივებული გამონათქვამების პოვნა, მაგალითად, თუ მივაწერთ ტემპერატურა 298 K-დან პროცესზე და გარდაქმნის ლოგარითმი ნატურალური ათობითი ლოგარითმში, გამოთქმა იწვევს:

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

ადვილად იდენტიფიცირებადია, რომ როდესაც უჯრედი იწყებს მუშაობას და რეაგენტები მოიხმარენ პროდუქტების გამომუშავებას, Q-ის მნიშვნელობა იწყებს ზრდას, მისი განმარტების მიხედვით, \(∆E\)=0-მდე. ამ მომენტში სისტემა წონასწორობაშია და Q = Keq.

ვნახოთ ნერნსტის განტოლების მაგალითი, რომელიც გამოიყენება დანიელის უჯრედზე. შეგახსენებთ, რომ სტანდარტული პოტენციალი იყო 1,1 ვ (როგორც ადრე ვნახეთ), თუ კონცენტრაციებს შევცვლით, დავუშვათ, რომ ახლა გვაქვს Cu-ის ხსნარები.⁺² 0,3 მოლ/ლ და ზნ⁺² 3 მოლ/ლ-დან (1 მოლ/ლ-ის ნაცვლად). უჯრედის პოტენციალი 298 K-ზე იქნება მოცემული:

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