Kas yra standartinis potencialas ir kas apibrėžia Nernsto lygtį?

Standartinis elektrodo potencialas apibrėžiamas kaip įtampa standartinėmis sąlygomis pusės elemento arba pusės elemento, imant vandenilio elektrodą kaip etaloninį elektrodą. Tuo tarpu Nernsto lygtis yra ta, kuri leidžia apskaičiuoti potencialų kitimą, kai koncentracija ir slėgio reikšmės nukrypsta nuo standartinių verčių.

Citata (APA)

Candela Rocío Barbisan | rugpjūčio mėn. 2022
Chemijos inzinierius

Visų pirma, būtina suprasti ląstelės potencialo sąvoką. Ruošiant a ląstelė galvanine arba baterija Energija redokso reakcijos susidaro dėl judėjimas elektronų per laidininką, priklausomai nuo jungčių talpos, leidžiančios tam tekėti, pagal stiprumas varomoji jėga Šis elektrinis dydis matuojamas per potencialų skirtumą arba Įtampa ir yra žinomas kaip elektrovaros jėga arba FEM. Šį EML galima išmatuoti, pavyzdžiui, naudojant voltmetrą.

Kai šis potencialų skirtumas matuojamas standartinėmis sąlygomis, jis vadinamas standartiniu elektrodo potencialu arba \(fe{{m}^{{}^\circ }}\) arba \(∆{{E}^{{}^ \circ }}\). Standartinės sąlygos reiškia 1 mol/L grynų kietųjų medžiagų ir skysčių bei dujų koncentraciją esant 1 atm slėgiui.

Kadangi izoliuoto elektrodo potencialo išmatuoti neįmanoma, tarp dviejų elektrodų reikalingas elektronų srautas. polių, elektrodo potencialą galima nustatyti vienam iš jų priskyrus nulinę reikšmę ir žinant ∆E ląstelė. Norėdami tai padaryti, potencialų skirtumas matuojamas pagal standartinį vandenilio elektrodą (SHE), kur platinos elektrodas (inertiškas) Jis uždarytas į stiklinį vamzdelį, kuriame dujinis vandenilis burbuliuojamas esant daliniam 1 atm slėgiui, tam tikrame tirpale 25ºC temperatūroje ir 1 mol/l koncentracija. Pagal susitarimą šio elektrodo potencialo vertė minėtomis standartinėmis sąlygomis yra 0 V, nes jame vyksta H oksidacija.₂ g) ir H redukcija⁺ tirpale.

Pažiūrėkime atvejį, taikomą Daniell Cell, kur pagal lentelės dydžius standartiniai elektrodų potencialai yra: Zn (s) oksidacijai -0,76 V ir Cu+2 redukcijai - 0,34 V. Tada \(∆{{E}^{{}^\circ }}\) reikšmė gaunama dėl skirtumo tarp standartinio redukcijos ir oksidacijos potencialų: 0,34 V – (-0,76 V) = 1,10 V. Kadangi \(∆{{E}^{{}^\circ }}\) yra teigiamas, reakcija yra spontaniška.

Yra ryšys tarp standartinio ląstelės potencialo ir jo konstantos. Balansas. Žinome, kad standartinė laisvoji reakcijos energija yra:

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

Kur n yra redokso procese dalyvaujančių elektronų skaičius, F yra Faradėjaus konstanta (96485 C/molis elektronų) ir \(∆{{E}^{{}^\circ }}\)ląstelės potencialų skirtumas esant sąlygoms standartus.

Taip pat \(∆{{G}^{{}^\circ }}\) yra susijęs su proceso pusiausvyros konstanta:

\(∆{{G}^{{}^\circ }}=-RTlnK\)

Sulyginus abi išraiškas, galima rasti ryšį tarp pusiausvyros konstantos K ir standartinio potencialo:

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

Dabar, darant prielaidą, kad oksidacijos-redukcijos reakcija vyksta skirtingomis sąlygomis nei standartinės, šį potencialą reikia perskaičiuoti. Norėdami tai padaryti, vokiečių mokslininkas Nernstas sukūrė išraišką, susiejančią standartinį akumuliatoriaus potencialą su jo potencialu skirtingomis sąlygomis:

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

Q yra reakcijos koeficientas, o R išreiškiamas J/mol. K.

Įprasta rasti skirtingų arba supaprastintų Nernsto lygties išraiškų, pavyzdžiui, jei priskiriame temperatūros 298 K į procesą ir konvertuoja logaritmas natūralus dešimtainiu logaritmu, išraiška gaunasi:

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

Lengvai atpažįstama, kad ląstelei pradėjus dirbti ir sunaudojant reagentus gaminant produktus, Q reikšmė pradeda didėti pagal jo apibrėžimą iki \(∆E\)=0. Šiuo metu sistema yra pusiausvyroje ir Q = Keq.

Pažiūrėkime Nernsto lygties pavyzdį, taikomą Daniell Cell. Prisimindami, kad standartinis potencialas buvo 1,1 V (kaip matėme anksčiau), jei pakeisime koncentracijas, tarkime, kad dabar turime Cu tirpalų⁺² 0,3 mol/l ir Zn⁺² 3 mol/L (vietoj 1 mol/L). Ląstelės potencialas esant 298 K būtų pateiktas taip:

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