Čo je štandardný potenciál a čo definuje Nernstovu rovnicu?

Štandardný elektródový potenciál je definovaný ako napätie za štandardných podmienok poločlánku alebo poločlánku, pričom ako referenčná elektróda sa berie vodíková elektróda. Medzitým je Nernstova rovnica tá, ktorá umožňuje vypočítať potenciálnu variáciu, keď sa hodnoty koncentrácie a tlaku odchyľujú od štandardných hodnôt.

Cenová ponuka (APA)

Candela Rocío Barbisan | Aug. 2022
Chemický inžinier

V prvom rade je potrebné pochopiť pojem bunkový potenciál. Pri príprave a bunka galvanický alebo akumulátorový Energia redoxnej reakcie vzniká pohyb elektrónov cez vodič v závislosti od kapacity spojok, ktoré umožňujú tok, podľa silu hnacia sila Táto elektrická veličina sa meria cez rozdiel potenciálov resp Napätie a je známy ako elektromotorická sila alebo FEM. Toto EMF je možné merať napríklad pomocou voltmetra.

Keď sa tento potenciálny rozdiel meria za štandardných podmienok, je známy ako štandardný elektródový potenciál alebo \(fe{{m}^{{}^\circ }}\) alebo \(∆{{E}^{{}^ \circ }}\). Štandardné podmienky sa vzťahujú na koncentrácie čistých pevných látok a kvapalín 1 mol/l a plynov pri tlaku 1 atm.

Keďže nie je možné zmerať potenciál izolovanej elektródy, je potrebný tok elektrónov medzi dvoma elektródami. pólov, potenciál elektródy možno určiť priradením nulovej hodnoty jednému z nich a poznaním ∆E bunka. Na tento účel sa meria potenciálny rozdiel oproti referenčnej, štandardnej vodíkovej elektróde (SHE), kde platinová elektróda (inertná) Je uzavretý v sklenenej trubici, kde prebubláva plynný vodík pri parciálnom tlaku 1 atm, v určitom roztoku pri 25 °C a 1 mol/l koncentrácie. Podľa konvencie je potenciálna hodnota tejto elektródy za uvedených štandardných podmienok 0 V, pretože v nej dochádza k oxidácii H.₂ g) a zníženie H⁺ v roztoku.

Pozrime sa na prípad aplikovaný na Daniellov článok, kde podľa tabuľkových hodnôt sú štandardné potenciály elektród: pre oxidáciu Zn (s) -0,76 V a pre redukciu Cu+2 0,34 V. Potom hodnota \(∆{{E}^{{}^\circ }}\) vyplýva z rozdielu medzi štandardným redukčným a oxidačným potenciálom: 0,34 V – (-0,76 V) = 1,10 V. Keďže \(∆{{E}^{{}^\circ }}\) je pozitívny, reakcia je spontánna.

Existuje vzťah medzi štandardným potenciálom bunky a jeho konštantou. Zostatok. Vieme, že štandardná voľná energia reakcie je:

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

Kde n je počet elektrónov, ktoré vstupujú do hry v redoxnom procese, F je Faradayova konštanta (96485 C/mol elektrónov) a \(∆{{E}^{{}^\circ }}\)potenciálny rozdiel bunky za podmienok štandardy.

Podobne \(∆{{G}^{{}^\circ }}\) súvisí s rovnovážnou konštantou procesu:

\(∆{{G}^{{}^\circ }}=-RTlnK\)

Porovnaním oboch výrazov možno nájsť vzťah medzi rovnovážnou konštantou K a štandardným potenciálom:

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

Teraz, za predpokladu, že oxidačno-redukčná reakcia prebieha za podmienok odlišných od štandardných, treba tento potenciál prepočítať. Na tento účel vyvinul nemecký vedec Nernst výraz, ktorý spája štandardný potenciál batérie s jej potenciálom za rôznych podmienok, pričom:

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

Q je reakčný kvocient a R je vyjadrené v J/mol. K.

Je bežné nájsť rôzne alebo zjednodušené vyjadrenia Nernstovej rovnice, napríklad ak priradíme teplota 298 K na proces a konvertuje logaritmus prirodzený v desiatkovom logaritme, výsledkom výrazu je:

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

Je ľahko identifikovateľné, že keď bunka začne pracovať a reaktanty sa spotrebúvajú pri vytváraní produktov, hodnota Q začne podľa svojej definície rásť až do \(∆E\)=0. V tomto momente je systém v rovnováhe a Q = Keq.

Pozrime sa na príklad Nernstovej rovnice aplikovanej na Daniellovu bunku. Pripomínajúc, že ​​štandardný potenciál bol 1,1 V (ako sme videli skôr), ak zmeníme koncentrácie, predpokladajme, že teraz máme roztoky Cu⁺² 0,3 mol/l a Zn⁺² 3 mol/l (namiesto 1 mol/l). Bunkový potenciál pri 298 K by bol daný:

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