Rakuvälis EMF Kalkulaator - Tasuta Nernsti Võrrandi Tööriist

Mis on elemendi EMJ kalkulaator?

Elemendi EMJ kalkulaator arvutab elektrokeemilise elemendi, näiteks patarei, elektromotoorjõu (EMJ). EMJ on pinge, mida element toodab, mõõdetuna voltides. Kalkulaator kasutab Nernsti võrrandit, mis kohandab elemendi standardpinget vastavalt tegelikule temperatuurile ja kaasatud kemikaalide tegelikele kontsentratsioonidele.

Mis on EMJ?

Elektromotoorjõud on elektriline jõud, mis liigutab voolu vooluringis. Elemendis tekib see keemilisest reaktsioonist, mida nimetatakse redoksreaktsiooniks, kus elektronid liiguvad ühelt aineelt teisele. EMJ on maksimaalne pinge, mida element suudab anda.

Nernsti võrrand

Nernsti võrrand annab elemendi pinge mis tahes tingimustel, mitte ainult õpikutes kasutatavatel standardtingimustel.

$E = E° - \frac{RT}{nF} \ln(Q)$

Kus:

• E on elemendi potentsiaal (EMJ), voltides.
• E° on elemendi standardpotentsiaal, voltides. See on pinge, mis mõõdetakse, kui kõik reaktsioonis osalevad kemikaalid on kontsentratsiooniga 1 mol/L (gaaside korral 1 atm) ja temperatuur on 25 °C.
• R on gaasikonstant, 8,314 J/(mol·K).
• T on temperatuur, kelvinites.
• n on reaktsioonis ülekantavate elektronide arv.
• F on Faraday konstant, 96 485 kulonit elektronide mooli kohta.
• Q on reaktsioonikvoot, arv, mis kirjeldab toodete ja lähteainete kontsentratsioonide praegust suhet.

Mis on reaktsioonikvoot (Q)?

Reaktsiooni aA + bB → cC + dD korral on reaktsioonikvoot:

$Q = \frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}$

Nurksulud tähendavad kontsentratsiooni. Q on võrdne 1-ga, kui kõik ained on standardkontsentratsioonis, mistõttu kogu korrektsioonitermin kaob ja E võrdub E°-ga.

Kuidas arvutada elemendi EMJ-d

1. Leia standardpotentsiaal (E°). Otsi see üles standardsete redutseerumispotentsiaalide tabelist, voltides.
2. Märgi temperatuur (T) kelvinites. Celsiuse kraadidest teisendamiseks liida 273,15.
3. Loenda ülekantud elektronid (n) tasakaalustatud redoksreaktsioonist.
4. Arvuta reaktsioonikvoot (Q) lähteainete ja toodete kontsentratsioonide põhjal.
5. Sisesta arvud võrrandisse, et leida E, EMJ voltides.

Selle lehe kalkulaator teeb seda automaatselt. Samuti näitab see iga liikme (E°, RT/nF ja ln(Q)) jaotust, et arvutust saaks käsitsi kontrollida.

Näidisarvutus

Vaatleme elementi, kus:

• Standardpotentsiaal (E°): 1,10 V
• Temperatuur: 298 K (ligikaudu 25 °C)
• Ülekantud elektronid (n): 2
• Reaktsioonikvoot (Q): 1,5

Kõigepealt leia RT/(nF):

$\frac{RT}{nF} = \frac{8.314 \times 298}{2 \times 96485} \approx 0.012839 \text{ V}$

Järgmiseks leia ln(Q):

$\ln(1.5) \approx 0.4055$

Korruta need kaks omavahel ja lahuta tulemus E°-st:

$E = 1.10 - (0.012839 \times 0.4055) \approx 1.10 - 0.0052 = 1.0948 \text{ V}$

Elemendi EMJ nendel tingimustel on ligikaudu 1,0948 V, mis on veidi väiksem selle standardpotentsiaalist 1,10 V.

Lihtsustatud võrrand 25 °C juures

Täpselt 25 °C juures (298,15 K) teisendavad õpikud sageli naturaallogaritmi kümnendlogaritmiks ja koondavad konstandid üheks arvuks:

$E = E° - \frac{0.0592}{n} \log_{10}(Q)$

See lühendatud valem annab ümardamise piires sama vastuse kui täisvõrrand, kuid ainult 25 °C juures. Selle lehe kalkulaator kasutab alati täisvõrrandit sisestatud tegeliku temperatuuriga, mistõttu see on täpne mis tahes temperatuuril.

Millal on Nernsti võrrand oluline?

• Patareid. Patarei pinge langeb, kui sisemised kemikaalid ammenduvad, sest Q liigub 1-st eemale. Nernsti võrrand ennustab, kui palju pinge langeb.
• Korrosioon. Insenerid kasutavad seda, et hinnata, kui tõenäoliselt metall antud keskkonnas korrodeerub.
• Kontsentratsioonielemendid. Elemendi saab moodustada samadest kahest poolreaktsioonist erinevatel kontsentratsioonidel. Siin on E° null, seega tuleb kogu pinge Nernsti terminist.
• Keemiatunnid. See on standardne teema, mis näitab, kuidas termodünaamika on seotud elektriga.

Korduma kippuvad küsimused

Milliseid ühikuid Nernsti võrrand kasutab?

E ja E° on voltides. T on kelvinites, mitte Celsiuse kraadides. R ja F on fikseeritud konstandid (8,314 J/(mol·K) ja 96 485 C/mol). Q-l puudub ühik, kuna see on kontsentratsioonide suhe.

Miks on mu arvutatud EMJ negatiivne?

Negatiivne EMJ tähendab, et reaktsioon, nagu see on kirja pandud, ei toimu iseenesest edasisuunas. Selle asemel kulgeks see vastupidises suunas. See võib juhtuda ka siis, kui anood ja katood on kogemata vahetusse pandud, või kui E° sisestati vale märgiga.

Kuidas mõjutab temperatuur elemendi potentsiaali?

Temperatuuri tõstmine suurendab RT/(nF) korrektsioonitermini suurust. Enamiku reaktsioonide korral tähendab see väikest, mõne millivoldise erinevust 10 °C muutuse kohta, kuigi täpne mõju sõltub konkreetsest reaktsioonist.

Mida tähendab see, kui Q on võrdne 1-ga?

Kui Q on 1, on ln(Q) 0, mistõttu korrektsioonitermin kaob ja E võrdub E°-ga. See juhtub, kui kõik lähteained ja tooted on standardkontsentratsioonis.

Kas Nernsti võrrandit saab kasutada kontsentratsioonielementide jaoks?

Jah. Kontsentratsioonielemendis esineb sama redokspaar mõlemal poolel, seega on E° null ja võrrand lihtsustub kujule:

$E = \frac{RT}{nF} \ln\left(\frac{[C]_{\text{cathode}}}{[C]_{\text{anode}}}\right)$

Mis vahe on E°-l ja E°'-l?

E° on standardpotentsiaal standardsete labori tingimuste juures. E°' on „formaalpotentsiaal", versioon, mis on kohandatud fikseeritud pH või muude lahuse tingimuste jaoks, ja on levinud biokeemias.

Kes leiutas Nernsti võrrandi?

Saksa keemik Walther Nernst tuletas võrrandi 1889. aastal, seostades termodünaamika elektrokeemiaga. Ta pälvis 1920. aastal Nobeli keemiaauhinna, peamiselt selle ja sellega seotud töö eest keemilise tasakaalu alal.