Що таке стандартний потенціал і що визначає рівняння Нернста?

Стандартний потенціал електрода визначається як напруга за стандартних умов напівелемента або напівелемента, взявши водневий електрод за електрод порівняння. Тим часом рівняння Нернста є тим, яке дозволяє розрахувати зміну потенціалу, коли значення концентрації та тиску відхиляються від стандартних значень.

Цитата (APA)

Кандела Росіо Барбісан | серп. 2022
Інженер-хімік

Перш за все, необхідно зрозуміти поняття клітинного потенціалу. При підготовці а клітина гальванічний або акумуляторний Енергія окисно-відновної реакції виробляється рух електронів через провідник залежно від здатності зв’язків забезпечити цей потік, відповідно до сила рушійна сила Ця електрична величина вимірюється через різницю потенціалів або Напруга і відомий як електрорушійна сила або FEM. Цю ЕРС можна виміряти, наприклад, вольтметром.

Коли ця різниця потенціалів вимірюється за стандартних умов, вона відома як стандартний потенціал електрода або \(fe{{m}^{{}^\circ }}\) або \(∆{{E}^{{}^ \circ }}\). Стандартні умови стосуються концентрації чистих твердих речовин і рідин 1 моль/л і газів при тиску 1 атм.

Оскільки неможливо виміряти потенціал ізольованого електрода, потрібен потік електронів між двома електродами. полюсів, потенціал електрода можна визначити, присвоївши нульове значення одному з них і знаючи ∆E клітина. Для цього різниця потенціалів вимірюється порівняно зі стандартним водневим електродом (SHE), де платиновий електрод (інертний) Він укладений у скляну трубку, де газоподібний водень барботується при парціальному тиску 1 атм у певному розчині при 25ºC і 1 моль/л концентрація. За домовленістю, значення потенціалу цього електрода за стандартних умов, згаданих вище, становить 0 В, оскільки в ньому відбувається окислення Н.₂ (g) і зменшення H⁺ в розчині.

Давайте розглянемо випадок, застосований до комірки Daniell, де за табличними значеннями стандартні потенціали електродів становлять: для окислення Zn (s) -0,76 В і для відновлення Cu+2, 0,34 В. Тоді значення \(∆{{E}^{{}^\circ }}\) є результатом різниці між стандартним потенціалом відновлення та окиснення: 0,34 В – (-0,76 В) = 1,10 В. Оскільки \(∆{{E}^{{}^\circ }}\) додатний, реакція є спонтанною.

Існує залежність між стандартним потенціалом клітини і його константою. Баланс. Ми знаємо, що стандартна вільна енергія реакції дорівнює:

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

Де n — кількість електронів, які беруть участь у окисно-відновному процесі, F — постійна Фарадея (96485 C/моль електронів) і \(∆{{E}^{{}^\circ }}\)різниця потенціалів комірки за умов стандарти.

Подібним чином \(∆{{G}^{{}^\circ }}\) пов’язано з константою рівноваги процесу:

\(∆{{G}^{{}^\circ }}=-RTlnK\)

Прирівнявши обидва вирази, можна знайти залежність між константою рівноваги K і стандартним потенціалом:

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

Тепер, якщо припустити, що окислювально-відновна реакція протікає в умовах, відмінних від стандартних, цей потенціал необхідно перерахувати. Для цього німецький вчений Нернст розробив вираз, який пов’язує стандартний потенціал акумулятора з його потенціалом за різних умов:

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

Q є коефіцієнтом реакції, а R виражається в Дж/моль. К.

Зазвичай можна знайти різні або спрощені вирази рівняння Нернста, наприклад, якщо ми приписуємо температура 298 K до процесу і перетворює логарифм натуральний у десятковому логарифмі, результат виразу:

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

Легко визначити, що коли комірка починає працювати і реагенти споживаються, утворюючи продукти, значення Q починає зростати, згідно з його визначенням, доки \(∆E\)=0. У цей момент система знаходиться в рівновазі і Q = Keq.

Давайте розглянемо приклад рівняння Нернста, застосованого до комірки Даніеля. Згадавши, що стандартний потенціал становив 1,1 В (як ми бачили раніше), якщо ми змінюємо концентрації, припустимо, що тепер ми маємо розчини Cu⁺² 0,3 моль/л і Zn⁺² 3 моль/л (замість 1 моль/л). Потенціал клітини при 298 K буде задано як:

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