Kalkulator EMF-a - Besplatni alat Nernstove jednadžbe

Što je kalkulator elektromotorne sile članka?

Kalkulator elektromotorne sile članka izračunava elektromotornu silu (EMF) elektrokemijskog članka, kao što je baterija. EMF je napon koji članak proizvodi, a mjeri se u voltima. Kalkulator se koristi Nernstovom jednadžbom, koja standardni napon članka prilagođava stvarnoj temperaturi i stvarnim koncentracijama uključenih kemijskih tvari.

Što je EMF?

Elektromotorna sila električni je potisak koji pokreće struju kroz strujni krug. U članku nastaje kemijskom reakcijom koja se naziva redoks-reakcija, pri kojoj elektroni prelaze s jedne tvari na drugu. EMF je najveći napon koji članak može dati.

Nernstova jednadžba

Nernstova jednadžba daje napon članka u bilo kojim uvjetima, a ne samo u standardnim uvjetima koji se upotrebljavaju u udžbenicima.

$E = E° - \frac{RT}{nF} \ln(Q)$

Gdje:

• E je potencijal članka (EMF), izražen u voltima.
• E° je standardni potencijal članka, izražen u voltima. To je napon izmjeren kada je svaka uključena kemijska tvar u koncentraciji 1 mol/L (ili 1 atm za plinove), a temperatura iznosi 25 °C.
• R je plinska konstanta, 8,314 J/(mol·K).
• T je temperatura izražena u kelvinima.
• n je broj elektrona prenesenih u reakciji.
• F je Faradayeva konstanta, 96.485 kulona po molu elektrona.
• Q je reakcijski kvocijent, broj koji opisuje trenutačni omjer produkata i reaktanata.

Što je reakcijski kvocijent (Q)?

Za reakciju aA + bB → cC + dD reakcijski kvocijent iznosi:

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

Uglate zagrade označavaju koncentraciju. Q je jednak 1 kada je svaka tvar u standardnoj koncentraciji, zbog čega cijeli korekcijski član nestaje, a E postaje jednak E°.

Kako izračunati EMF članka

1. Pronađite standardni potencijal članka (E°). Potražite ga u tablici standardnih redukcijskih potencijala, izraženih u voltima.
2. Zabilježite temperaturu (T) u kelvinima. Za pretvorbu iz Celzijevih stupnjeva dodajte 273,15.
3. Prebrojite prenesene elektrone (n) iz uravnotežene redoks-reakcije.
4. Izračunajte reakcijski kvocijent (Q) iz koncentracija reaktanata i produkata.
5. Uvrstite brojeve u jednadžbu da biste dobili E, odnosno EMF izražen u voltima.

Kalkulator na ovoj stranici to radi automatski. Prikazuje i raščlambu svakog člana (E°, RT/nF i ln(Q)), pa se izračun može provjeriti ručno.

Primjer s rješenjem

Razmotrimo članak sa sljedećim vrijednostima:

• Standardni potencijal (E°): 1,10 V
• Temperatura: 298 K (oko 25 °C)
• Preneseni elektroni (n): 2
• Reakcijski kvocijent (Q): 1,5

Najprije izračunajte RT/(nF):

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

Zatim izračunajte ln(Q):

$\ln(1.5) \approx 0.4055$

Pomnožite te dvije vrijednosti, a zatim rezultat oduzmite od E°:

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

EMF članka u tim je uvjetima približno 1,0948 V, što je nešto manje od njegova standardnog potencijala 1,10 V.

Pojednostavljena jednadžba pri 25 °C

Pri točno 25 °C (298,15 K) u udžbenicima se prirodni logaritam često pretvara u logaritam s bazom 10, a konstante se spajaju u jedan broj:

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

Ovaj prečac daje isti rezultat kao potpuna jednadžba, uz zaokruživanje, samo pri 25 °C. Kalkulator na ovoj stranici uvijek upotrebljava potpunu jednadžbu sa stvarno unesenom temperaturom, pa ostaje točan pri bilo kojoj temperaturi.

Kada je Nernstova jednadžba važna?

• Baterije. Napon baterije pada kako se kemijske tvari u njoj troše jer se Q udaljava od 1. Nernstova jednadžba predviđa koliko će napon pasti.
• Korozija. Inženjeri je upotrebljavaju za procjenu vjerojatnosti korozije metala u određenom okolišu.
• Koncentracijski članci. Članak se može izraditi od iste dvije polureakcije pri različitim koncentracijama. Ovdje je E° jednak nuli, pa cijeli napon potječe od Nernstova člana.
• Nastava kemije. To je standardna tema za prikaz povezanosti termodinamike i elektriciteta.

Često postavljana pitanja

Koje jedinice upotrebljava Nernstova jednadžba?

E i E° izraženi su u voltima. T je izražen u kelvinima, a ne u Celzijevim stupnjevima. R i F su fiksne konstante (8,314 J/(mol·K) i 96.485 C/mol). Q nema jedinicu jer je omjer koncentracija.

Zašto je moj izračunati EMF negativan?

Negativan EMF znači da se reakcija, kako je napisana, ne odvija spontano u smjeru prema naprijed. Umjesto toga odvijala bi se u obrnutom smjeru. To se može dogoditi i ako su anoda i katoda greškom zamijenjene ili ako je E° unesen s pogrešnim predznakom.

Kako temperatura utječe na potencijal članka?

Povećanjem temperature povećava se veličina korekcijskog člana RT/(nF). Za većinu reakcija to uzrokuje malu promjenu od nekoliko milivolta na promjenu od 10 °C, iako točan učinak ovisi o reakciji.

Što znači ako je Q jednak 1?

Kada je Q jednak 1, ln(Q) jednak je 0, pa korekcijski član nestaje, a E postaje jednak E°. To se događa kada su svaki reaktant i svaki produkt u svojoj standardnoj koncentraciji.

Može li se Nernstova jednadžba upotrebljavati za koncentracijske članke?

Da. U koncentracijskom članku isti se redoks-par pojavljuje na objema stranama, pa je E° jednak nuli i jednadžba se pojednostavnjuje na:

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

Koja je razlika između E° i E°'?

E° je standardni potencijal pri standardnim laboratorijskim uvjetima. E°' je „formalni potencijal”, inačica prilagođena fiksnoj vrijednosti pH ili drugim uvjetima otopine, a uobičajena je u biokemiji.

Tko je izumio Nernstovu jednadžbu?

Njemački kemičar Walther Nernst izveo je tu jednadžbu 1889, povezujući termodinamiku s elektrokemijom. Dobio je Nobelovu nagradu za kemiju 1920, ponajprije za taj i srodne radove o kemijskoj ravnoteži.