Elektrochemische berekeningen met behulp van de Nernst-vergelijking

Dorling Kindersley / Getty Images

De Nernst-vergelijking wordt gebruikt om te berekenen de spanning van een elektrochemische cel of naar vind de concentratie van een van de componenten van de cel.

De Nernst-vergelijking

De Nernst-vergelijking relateert de evenwichtscelpotentiaal (ook wel de Nernst-potentiaal genoemd) aan de concentratiegradiënt over een membraan. Er zal zich een elektrische potentiaal vormen als er een concentratiegradiënt is voor het ion over het membraan en als er selectieve ionenkanalen bestaan ​​zodat het ion het membraan kan passeren. De relatie wordt beïnvloed door de temperatuur en of het membraan meer permeabel is voor het ene ion dan voor het andere.

De vergelijking kan worden geschreven:

EN_cel= E⁰_cel- (RT/nF)lnQ

EN_cel= celpotentiaal onder niet-standaard omstandigheden (V)
EN⁰_cel= celpotentiaal onder standaardomstandigheden
R = gasconstante, dat is 8,31 (volt-coulomb)/(mol-K)
T = temperatuur (K)
n = aantal mol elektronen uitgewisseld in de elektrochemische reactie (mol)
F = constante van Faraday, 96500 coulombs/mol
Q = reactiequotiënt, wat de evenwichtsuitdrukking is met beginconcentraties in plaats van evenwichtsconcentraties

Soms is het handig om de Nernst-vergelijking anders uit te drukken:

EN_cel= E⁰_cel- (2.303*RT/nF)logQ

bij 298K, E_cel= E⁰_cel- (0,0591 V/n)log Q

Voorbeeld van Nernst-vergelijking

Een zinkelektrode wordt ondergedompeld in een zuur 0,80 M Zn²⁺oplossing die via een zoutbrug is verbonden met een 1,30 M Ag⁺oplossing met een zilverelektrode. Bepaal de beginspanning van de cel op 298K.

Tenzij je serieus hebt onthouden, moet je de standaard reductiepotentieeltabel raadplegen, die je de volgende informatie zal geven:

EN⁰_rood: Zn²⁺_aq+2e^-→ Zn_s= -0,76 V

EN⁰_rood: Bij⁺_aq+ en^-→ Ag_s= +0,80 V

EN_cel= E⁰_cel- (0,0591 V/n)log Q

Q = [Zn²⁺]/[Ag⁺]^twee

De reactie verloopt spontaan, dus E⁰is positief. Dat kan alleen als Zn wordt geoxideerd (+0,76 V) en zilver wordt gereduceerd (+0,80 V). Als je je dat eenmaal realiseert, kun je de uitgebalanceerde chemische vergelijking voor de celreactie schrijven en E . berekenen⁰:

Zn_s→ Zn²⁺_aq+2e^-en E⁰_os= +0,76 V

2Ag⁺_aq+2e^-→ 2Ag_sen E⁰_rood= +0,80 V

die bij elkaar opgeteld worden om te geven:

Zn_s+ 2Ag⁺_aq→ Zn²⁺_a+ 2Ag_smet E⁰= 1,56 V

Nu, door de Nernst-vergelijking toe te passen:

Q = (0,80)/(1,30)^twee

Q = (0,80)/(1,69)

Q = 0,47

E = 1,56 V - (0,0591 / 2)log (0,47)

E = 1,57 V