Что такое стандартный потенциал и что определяет уравнение Нернста?

Потенциал стандартного электрода определяется как напряжение в стандартных условиях полуэлемента или полуэлемента, принимая водородный электрод в качестве электрода сравнения. Между тем, уравнение Нернста позволяет рассчитать изменение потенциала при отклонении значений концентрации и давления от стандартных значений.

Цитата (АПА)

Кандела Росио Барбисан | авг. 2022
Инженер-химик

Прежде всего необходимо разобраться с понятием клеточного потенциала. При подготовке клетка гальванический или аккумуляторный Энергия окислительно-восстановительной реакции осуществляется движение электронов через проводник в зависимости от способности муфт, позволяющих этот поток, в соответствии с прочность движущая сила Эта электрическая величина измеряется через разность потенциалов или Напряжение и известен как электродвижущая сила или ФЭМ. Эту ЭДС можно измерить, например, с помощью вольтметра.

Когда эта разность потенциалов измеряется в стандартных условиях, она известна как стандартный потенциал электрода или \(fe{{m}^{{}^\circ }}\) или \(∆{{E}^{{}^ \цирк }}\). Стандартные условия относятся к концентрациям чистых твердых веществ и жидкостей 1 моль/л и газам при давлении 1 атм.

Поскольку невозможно измерить потенциал изолированного электрода, необходим поток электронов между двумя электродами. полюсов, потенциал электрода можно определить, придав одному из них нулевое значение и зная ∆E клетка. Для этого измеряется разность потенциалов относительно эталона, стандартного водородного электрода (СТЭ), где платиновый электрод (инертный) Он заключен в стеклянную трубку, в которой барботируют газообразный водород при парциальном давлении 1 атм, в определенном растворе при 25ºC и 1 моль/л концентрация. Условно значение потенциала этого электрода при упомянутых стандартных условиях равно 0 В, так как в нем происходит окисление Н.₂ (g) и восстановление H⁺ в растворе.

Рассмотрим случай, примененный к ячейке Даниэля, где по табличным значениям стандартные потенциалы электродов составляют: для окисления Zn(s) -0,76 В и для восстановления Cu+2 - 0,34 В. Тогда значение \(∆{{E}^{{}^\circ }}\) получается из разницы между стандартным потенциалом восстановления и окисления: 0,34 В – (-0,76 В) = 1,10 В. Поскольку \(∆{{E}^{{}^\circ }}\) положителен, реакция идет самопроизвольно.

Существует зависимость между стандартным потенциалом клетки и его константой. Остаток средств. Мы знаем, что стандартная свободная энергия реакции равна:

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

Где n — количество электронов, участвующих в окислительно-восстановительном процессе, F — постоянная Фарадея (96485 Кл/моль электронов) и \(∆{{E}^{{}^\circ }}\)разность потенциалов клетки в условиях стандарты.

Точно так же \(∆{{G}^{{}^\circ }}\) связано с константой равновесия процесса:

\(∆{{G}^{{}^\circ }}=-RTlnK\)

Приравнивая оба выражения, можно найти связь между константой равновесия К и стандартным потенциалом:

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

Теперь, предполагая, что окислительно-восстановительная реакция протекает в условиях, отличных от стандартных, этот потенциал необходимо пересчитать. Для этого немецкий ученый Нернст разработал выражение, связывающее стандартный потенциал батареи с ее потенциалом при различных условиях, равным:

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

Q представляет собой реакционный коэффициент, а R выражается в Дж/моль. К.

Обычно встречаются различные или упрощенные выражения уравнения Нернста, например, если мы приписываем температура 298 K в процесс и преобразует логарифм натуральный в десятичном логарифме, выражение приводит к:

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

Легко заметить, что когда ячейка начинает работать и расходуются реагенты с образованием продуктов, значение Q начинает увеличиваться, согласно его определению, до тех пор, пока \(∆E\)=0. В этот момент система находится в равновесии и Q = Keq.

Давайте рассмотрим пример применения уравнения Нернста к ячейке Даниэля. Вспоминая, что стандартный потенциал был 1,1 В (как мы видели ранее), если мы будем варьировать концентрации, предположим, что теперь у нас есть растворы Cu⁺² 0,3 моль/л и Zn⁺² 3 моль/л (вместо 1 моль/л). Потенциал ячейки при 298 К будет равен:

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