Elemento EMF Skaičiuotuvas - Nemokamas Nernsto Lygties Įrankis

Kas yra elemento EVJ skaičiuoklė?

Elemento EVJ skaičiuoklė nustato elektrocheminio elemento, pavyzdžiui, baterijos, elektrovarą (EVJ). EVJ yra įtampa, kurią sukuria elementas, matuojama voltais. Skaičiuoklė naudoja Nernsto lygtį, kuri pakoreguoja elemento standartinę įtampą pagal faktinę temperatūrą ir faktines dalyvaujančių cheminių medžiagų koncentracijas.

Kas yra EVJ?

Elektrovaros jėga yra elektrinis stūmis, kuris varo srovę per grandinę. Elemente ji atsiranda dėl cheminės reakcijos, vadinamos redokso reakcija, kurios metu elektronai juda nuo vienos medžiagos prie kitos. EVJ yra didžiausia įtampa, kurią elementas gali suteikti.

Nernsto lygtis

Nernsto lygtis nurodo elemento įtampą bet kokiomis sąlygomis, o ne tik standartinėmis, naudojamomis vadovėliuose.

$E = E° - \frac{RT}{nF} \ln(Q)$

Kur:

• E yra elemento potencialas (EVJ), voltais.
• E° yra standartinis elemento potencialas, voltais. Tai įtampa, išmatuota, kai visos dalyvaujančios cheminės medžiagos yra 1 mol/l koncentracijos (arba 1 atm dujoms), o temperatūra yra 25 °C.
• R yra dujų konstanta, 8,314 J/(mol·K).
• T yra temperatūra kelvinais.
• n yra reakcijoje pernešamų elektronų skaičius.
• F yra Faradėjaus konstanta, 96 485 kulonai vienam elektronų moliui.
• Q yra reakcijos koeficientas, skaičius, apibūdinantis dabartinį produktų ir reagentų santykį.

Kas yra reakcijos koeficientas (Q)?

Reakcijai aA + bB → cC + dD reakcijos koeficientas yra:

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

Laužtiniai skliaustai reiškia koncentraciją. Q lygus 1, kai kiekviena medžiaga yra standartinės koncentracijos, todėl visas korekcijos narys išnyksta ir E tampa lygus E°.

Kaip apskaičiuoti elemento EVJ

1. Raskite standartinį elemento potencialą (E°). Jo ieškokite standartinių redukcijos potencialų lentelėje, voltais.
2. Užsirašykite temperatūrą (T) kelvinais. Norėdami paversti iš Celsijaus, pridėkite 273,15.
3. Suskaičiuokite pernešamus elektronus (n) iš subalansuotos redokso reakcijos.
4. Apskaičiuokite reakcijos koeficientą (Q) pagal reagentų ir produktų koncentracijas.
5. Įstatykite skaičius į lygtį, kad gautumėte E, EVJ voltais.

Šio puslapio skaičiuoklė tai atlieka automatiškai. Ji taip pat rodo kiekvieno nario (E°, RT/nF ir ln(Q)) suskirstymą, kad skaičiavimą būtų galima patikrinti ranka.

Išspręstas pavyzdys

Turime elementą su:

• Standartiniu potencialu (E°): 1,10 V
• Temperatūra: 298 K (apie 25 °C)
• Pernešamais elektronais (n): 2
• Reakcijos koeficientu (Q): 1,5

Pirmiausia randame RT/(nF):

$\frac{RT}{nF} = \frac{8,314 \times 298}{2 \times 96485} \approx 0,012839 \text{ V}$

Toliau randame ln(Q):

$\ln(1,5) \approx 0,4055$

Padauginame abu ir atimame iš E°:

$E = 1,10 - (0,012839 \times 0,4055) \approx 1,10 - 0,0052 = 1,0948 \text{ V}$

Elemento EVJ šiomis sąlygomis yra apie 1,0948 V, šiek tiek mažesnis už jo standartinį potencialą 1,10 V.

Supaprastinta lygtis esant 25 °C

Esant lygiai 25 °C (298,15 K), vadovėliuose natūralusis logaritmas dažnai paverčiamas 10-ties pagrindo logaritmu, o konstantos sujungiamos į vieną skaičių:

$E = E° - \frac{0,0592}{n} \log_{10}(Q)$

Šis supaprastinimas duoda tą patį atsakymą kaip ir pilna lygtis, apvalinimo tikslumu, tik esant 25 °C. Šio puslapio skaičiuoklė visada naudoja pilną lygtį su įvesta faktine temperatūra, todėl ji išlieka tiksli bet kurioje temperatūroje.

Kada svarbi Nernsto lygtis?

• Baterijos. Baterijos įtampa krinta, kai naudojamos jose esančios cheminės medžiagos, nes Q nutolsta nuo 1. Nernsto lygtis prognozuoja, kiek nukris įtampa.
• Korozija. Inžinieriai ją naudoja įvertinti, kiek tikėtina, kad metalas koroduos tam tikroje aplinkoje.
• Koncentracijos elementai. Elementas gali būti sudarytas iš tų pačių dviejų pusreakcijų, esant skirtingoms koncentracijoms. Čia E° lygus nuliui, todėl visa įtampa atsiranda iš Nernsto nario.
• Chemijos pamokos. Tai standartinė tema, rodanti, kaip termodinamika susijusi su elektra.

Dažnai užduodami klausimai

Kokius vienetus naudoja Nernsto lygtis?

E ir E° matuojami voltais. T matuojamas kelvinais, ne Celsijaus laipsniais. R ir F yra fiksuotos konstantos (8,314 J/(mol·K) ir 96 485 C/mol). Q neturi vienetų, nes tai koncentracijų santykis.

Kodėl mano apskaičiuota EVJ yra neigiama?

Neigiama EVJ reiškia, kad reakcija, tokia, kokia užrašyta, savaime nevyksta pirmyn kryptimi. Vietoj to ji vyktų atvirkštine kryptimi. Taip taip pat gali nutikti, jei anodas ir katodas buvo netyčia sukeisti vietomis, arba jei E° buvo įvestas su neteisingu ženklu.

Kaip temperatūra veikia elemento potencialą?

Kylant temperatūrai, didėja RT/(nF) korekcijos nario dydis. Daugumai reakcijų tai sukelia nedidelį, kelių milivoltų skirtumą kas 10 °C pokytį, nors tikslus poveikis priklauso nuo reakcijos.

Ką reiškia, jei Q lygus 1?

Kai Q lygus 1, ln(Q) lygus 0, todėl korekcijos narys išnyksta, o E tampa lygus E°. Taip nutinka, kai kiekvienas reagentas ir produktas yra savo standartinės koncentracijos.

Ar Nernsto lygtį galima naudoti koncentracijos elementams?

Taip. Koncentracijos elemente ta pati redokso pora yra abiejose pusėse, todėl E° lygus nuliui, ir lygtis supaprastėja iki:

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

Kuo skiriasi E° ir E°'?

E° yra standartinis potencialas standartinėmis laboratorinėmis sąlygomis. E°' yra „formalusis potencialas“ – variantas, pakoreguotas pagal fiksuotą pH ar kitas tirpalo sąlygas, dažnai naudojamas biochemijoje.

Kas išrado Nernsto lygtį?

Vokiečių chemikas Walteris Nernstas šią lygtį išvedė 1889 metais, susiedamas termodinamiką su elektrochemija. 1920 metais jis gavo Nobelio chemijos premiją, daugiausia už šį ir susijusius darbus apie cheminę pusiausvyrą.