Apskaičiuokite elektrocheminių ląstelių elektromotines jėgas (EMF) naudodami Nernsto lygtį. Įveskite temperatūrą, elektronų skaičių ir reakcijos koeficientą, kad nustatytumėte ląstelės potencialą.
E = E° - (RT/nF) × ln(Q)
Elementų EMF Skaičiuoklė yra galingas įrankis, sukurtas elektrokeminių elementų elektromotorinės jėgos (EMF) skaičiavimui naudojant Nernsto lygtį. EMF, matuojama voltais, atspindi elektrinį potencialo skirtumą, kurį generuoja galvaninis elementas ar baterija. Ši skaičiuoklė leidžia chemikams, studentams ir tyrėjams tiksliai nustatyti elementų potencialus įvairiomis sąlygomis, įvedant standartinį elementų potencialą, temperatūrą, perduodamų elektronų skaičių ir reakcijos koeficientą. Nesvarbu, ar dirbate laboratorijoje, studijuojate elektrokemiją, ar kuriate baterijų sistemas, ši skaičiuoklė suteikia tikslius EMF vertes, būtinas elektrokemijos elgsenai suprasti ir prognozuoti.
Nernsto lygtis yra pagrindinė formulė elektrokemijoje, kuri sieja elementų potencialą (EMF) su standartiniu elementų potencialu ir reakcijos koeficientu. Ji atsižvelgia į nestandartines sąlygas, leidžiančias mokslininkams prognozuoti, kaip elementų potencialai keičiasi su skirtingomis koncentracijomis ir temperatūromis.
Nernsto lygtis išreiškiama taip:
Kur:
Standartinėje temperatūroje (298.15 K arba 25°C) lygtis gali būti supaprastinta iki:
Standartinis Elementų Potencialas (E°): Potencialo skirtumas tarp katodo ir anodo standartinėmis sąlygomis (1M koncentracija, 1 atm slėgis, 25°C). Ši vertė yra specifinė kiekvienai redoks reakcijai ir gali būti rasta elektrokemijos lentelėse.
Temperatūra (T): Elementų temperatūra Kelvinais. Temperatūra veikia Gibbs'o laisvosios energijos entropijos komponentą, taip paveikdama elementų potencialą.
Perduodamų Elektronų Skaičius (n): Perduodamų elektronų skaičius subalansuotoje redoks reakcijoje. Ši vertė nustatoma iš subalansuotų pusiau reakcijų.
Reakcijos Koeficientas (Q): Produktų koncentracijų ir reagentų koncentracijų santykis, kiekvienas pakeltas iki jų stechiometrinių koeficientų. Bendroje reakcijoje aA + bB → cC + dD, reakcijos koeficientas yra:
Ekstremalios Temperatūros: Labai aukštose arba žemose temperatūrose gali prireikti atsižvelgti į papildomus veiksnius, tokius kaip aktyvumo koeficientų pokyčiai, siekiant tiksliai rezultatus.
Labai Didelės ar Mažos Q Vertės: Kai Q artėja prie nulio arba begalybės, skaičiuoklė gali pateikti ekstremalias EMF vertes. Praktikoje tokios ekstremalios sąlygos retai pasitaiko stabiliose elektrokemijos sistemose.
Neidealios Tirpalai: Nernsto lygtis daro prielaidą, kad tirpalai elgiasi idealiai. Labai koncentruotuose tirpaluose arba su tam tikrais elektrolitais gali pasireikšti nuokrypiai.
Negrįžtamos Reakcijos: Nernsto lygtis taikoma grįžtamosioms elektrokemijos reakcijoms. Negrįžtiniems procesams reikia atsižvelgti į papildomus perėjimo potencialus.
Mūsų skaičiuoklė supaprastina sudėtingą procesą, skirtą nustatyti elementų potencialus įvairiomis sąlygomis. Sekite šiuos žingsnius, kad apskaičiuotumėte EMF savo elektrokeminiam elementui:
Įveskite Standartinį Elementų Potencialą (E°):
Nurodykite Temperatūrą:
Įveskite Perduodamų Elektronų Skaičių (n):
Apibrėžkite Reakcijos Koeficientą (Q):
Peržiūrėkite Rezultatus:
Kopijuokite arba Pasidalykite Savo Rezultatais:
Apskaičiuokime EMF cinko-vario elementui su šiais parametrais:
Naudodami Nernsto lygtį:
Skaičiuoklė automatiškai atlieka šį skaičiavimą, suteikdama jums tikslią EMF vertę.
Elementų EMF Skaičiuoklė tarnauja daugybei praktinių taikymų įvairiose srityse:
Tyrėjai naudoja EMF skaičiavimus, kad:
Baterijų technologijose EMF skaičiavimai padeda:
Korozijos inžinieriai naudoja EMF skaičiavimus, kad:
Akademinėse aplinkose skaičiuoklė padeda:
Pramonės šakos naudoja EMF skaičiavimus:
Nors Nernsto lygtis yra pagrindinė EMF skaičiavimams, egzistuoja keletas alternatyvių metodų specifinėms situacijoms:
Sistema, kurioje kinetiniai veiksniai žymiai veikia stebimą potencialą:
Ši lygtis sieja srovės tankį su perėjimo potencialu, teikdama įžvalgas apie elektrodų kinetiką.
Biologinėms sistemoms ir membranų potencialams:
Ši lygtis ypač naudinga neurobiologijoje ir ląstelių biologijoje.
Sistema, toli nuo pusiausvyros:
Šis supaprastintas santykis yra naudingas korozijos tyrimuose ir elektrocheminio dengimo taikymuose.
Elementams, kur vienoda redoks pora egzistuoja skirtingomis koncentracijomis:
Šis specializuotas atvejis eliminuoja standartinio potencialo terminą.
Elektromotorinės jėgos supratimas ir skaičiavimas per šimtmečius žymiai išsivystė:
Kelionė prasidėjo su Alessandro Volta išradimu, vadinamu voltaine krūva, 1800 m., pirmąja tikra baterija. Šis proveržis sekė Luigi Galvani stebėjimais apie „gyvūnų elektrą“ 1780-aisiais. Volta darbas įtvirtino, kad elektrinis potencialas gali būti generuojamas cheminėmis reakcijomis, sudarant elektrokemijos pagrindus.
Sritis dramatiškai pažengė, kai Walther Nernst, vokiečių fizinės chemijos mokslininkas, 1889 m. išvedė savo vardu pavadintą lygtį. Nernsto darbas sujungė termodinamiką su elektrokemija, parodant, kaip elementų potencialai priklauso nuo koncentracijos ir temperatūros. Šis proveržis pelnė jam Nobelio premiją chemijoje 1920 m.
Visą XX amžių mokslininkai tobulino mūsų supratimą apie elektrokeminius procesus:
Šiandien elektrokemijos skaičiavimai apima sudėtingus modelius, atsižvelgiančius į neidealų elgesį, paviršiaus efektus ir sudėtingas reakcijų mechanikas, remdamiesi Nernsto pagrindinėmis įžvalgomis.
Elektromotorinė jėga (EMF) yra elektrinis potencialo skirtumas, generuojamas elektrokeminiu elementu. Ji atspindi energiją vienam įkrovimui, prieinamą iš redoks reakcijų, vykstančių elemente. EMF matuojama voltais ir nustato maksimalų elektrinį darbą, kurį elementas gali atlikti.
Temperatūra tiesiogiai veikia elementų potencialą per Nernsto lygtį. Aukštesnės temperatūros padidina entropijos termino (RT/nF) reikšmę, potencialiai sumažindamos elementų potencialą reakcijoms su teigiamu entropijos pokyčiu. Daugumai reakcijų temperatūros didinimas šiek tiek sumažina elementų potencialą, nors santykis priklauso nuo specifinės reakcijos termodinamikos.
Neigiama EMF rodo, kad reakcija, kaip parašyta, nėra spontaniška tiesiogine kryptimi. Tai reiškia, kad reakcija natūraliai vyktų atvirkštine kryptimi. Alternatyviai, tai gali rodyti, kad jūsų standartinio potencialo vertė gali būti neteisinga arba kad jūs apsikeitėte katodo ir anodo vaidmenimis savo skaičiavime.
Taip, Nernsto lygtis taikoma ne vandeniniams tirpalams, tačiau su svarbiais apsvarstymais. Turite naudoti aktyvumą, o ne koncentracijas, ir referenciniai elektrodai gali elgtis skirtingai. Standartiniai potencialai taip pat skirsis nuo tų, kurie yra vandeniniuose sistemose, reikalaujant specifinių vertybių jūsų tirpalo sistemai.
Nernsto lygtis suteikia puikų tikslumą praskiestuose tirpaluose, kur aktyvumai gali būti apytiksliai laikomi koncentracijomis. Labai koncentruotuose tirpaluose, didelės jonų koncentracijos atveju ar ekstremalių pH sąlygomis gali pasireikšti nuokrypiai dėl neidealio elgsenos. Praktiniuose taikymuose ±5-10 mV tikslumas paprastai pasiekiamas tinkamai parinkus parametrus.
E° atspindi standartinį redukcijos potencialą standartinėmis sąlygomis (visi elementai 1M aktyvumo, 1 atm slėgis, 25°C). E°' (ištariama „E naught prime“) yra formali potencialas, kuris apima tirpalo sąlygų, tokių kaip pH ir kompleksų formavimas, poveikį. E°' dažnai yra praktiškesnis biocheminėms sistemoms, kur pH yra nustatytas nestandartinėmis vertėmis.
Perduodamų elektronų skaičius (n) nustatomas iš subalansuotos redoks reakcijos. Parašykite pusiau reakcijas oksidacijai ir redukcijai, subalansuokite jas atskirai ir nustatykite, kiek elektronų yra perduodama. n vertė turi būti teigiamas sveikasis skaičius ir atspindi elektronų stechiometrinį koeficientą subalansuotoje lygtėje.
Taip, koncentracijos elementai (kur ta pati redoks pora egzistuoja skirtingomis koncentracijomis) gali būti analizuojami naudojant supaprastintą Nernsto lygties formą: E = (RT/nF)ln(C₂/C₁), kur C₂ ir C₁ yra koncentracijos katode ir anode, atitinkamai. Standartinio potencialo terminas (E°) šiuose skaičiavimuose atšaukiamas.
Reakcijose, kuriose dalyvauja dujos, slėgis veikia reakcijos koeficientą Q. Pagal Nernsto lygtį, didinant dujų reagentų slėgį, padidėja elementų potencialas, o didinant dujų produktų slėgį, sumažėja. Šis poveikis įtraukiamas naudojant dalinius slėgius (atmosferose) reakcijos koeficiento skaičiavime.
Skaičiuoklė daro prielaidą, kad tirpalai elgiasi idealiai, reakcijos yra visiškai grįžtamos, o temperatūra visame elemente yra pastovi. Ji gali neatsižvelgti į tokius efektus kaip jungčių potencialai, aktyvumo koeficientai koncentruotuose tirpaluose ar elektrodų kinetikos apribojimai. Labai tiksliems darbams ar ekstremalioms sąlygoms gali prireikti papildomų korekcijų.
1import math
2
3def calculate_emf(standard_potential, temperature, electron_count, reaction_quotient):
4 """
5 Apskaičiuoti EMF naudojant Nernsto lygtį
6
7 Argumentai:
8 standard_potential: Standartinis elementų potencialas voltais
9 temperature: Temperatūra Kelvinais
10 electron_count: Perduodamų elektronų skaičius
11 reaction_quotient: Reakcijos koeficientas
12
13 Grąžina:
14 Elementų potencialas (EMF) voltais
15 """
16 # Konstantos
17 R = 8.314 # Dujų konstanta J/(mol·K)
18 F = 96485 # Faradėjaus konstanta C/mol
19
20 # Apskaičiuoti RT/nF
21 rt_over_nf = (R * temperature) / (electron_count * F)
22
23 # Apskaičiuoti natūralų logaritmą reakcijos koeficiento
24 ln_q = math.log(reaction_quotient)
25
26 # Apskaičiuoti EMF naudojant Nernsto lygtį
27 emf = standard_potential - (rt_over_nf * ln_q)
28
29 return emf
30
31# Pavyzdžio naudojimas
32standard_potential = 1.10 # voltai
33temperature = 298 # Kelvinais
34electron_count = 2
35reaction_quotient = 1.5
36
37emf = calculate_emf(standard_potential, temperature, electron_count, reaction_quotient)
38print(f"Apskaičiuota EMF: {emf:.4f} V")
39
1function calculateEMF(standardPotential, temperature, electronCount, reactionQuotient) {
2 // Konstantos
3 const R = 8.314; // Dujų konstanta J/(mol·K)
4 const F = 96485; // Faradėjaus konstanta C/mol
5
6 // Apskaičiuoti RT/nF
7 const rtOverNF = (R * temperature) / (electronCount * F);
8
9 // Apskaičiuoti natūralų logaritmą reakcijos koeficiento
10 const lnQ = Math.log(reactionQuotient);
11
12 // Apskaičiuoti EMF naudojant Nernsto lygtį
13 const emf = standardPotential - (rtOverNF * lnQ);
14
15 return emf;
16}
17
18// Pavyzdžio naudojimas
19const standardPotential = 1.10; // voltai
20const temperature = 298; // Kelvinais
21const electronCount = 2;
22const reactionQuotient = 1.5;
23
24const emf = calculateEMF(standardPotential, temperature, electronCount, reactionQuotient);
25console.log(`Apskaičiuota EMF: ${emf.toFixed(4)} V`);
26
1' Excel funkcija EMF skaičiavimui
2Function CalculateEMF(E0 As Double, T As Double, n As Integer, Q As Double) As Double
3 ' Konstantos
4 Const R As Double = 8.314 ' Dujų konstanta J/(mol·K)
5 Const F As Double = 96485 ' Faradėjaus konstanta C/mol
6
7 ' Apskaičiuoti RT/nF
8 Dim rtOverNF As Double
9 rtOverNF = (R * T) / (n * F)
10
11 ' Apskaičiuoti EMF naudojant Nernsto lygtį
12 CalculateEMF = E0 - (rtOverNF * Application.Ln(Q))
13End Function
14
15' Naudojimas ląstelėje: =CalculateEMF(1.10, 298, 2, 1.5)
16
1function emf = calculateEMF(standardPotential, temperature, electronCount, reactionQuotient)
2 % Apskaičiuoti EMF naudojant Nernsto lygtį
3 %
4 % Įvestys:
5 % standardPotential - Standartinis elementų potencialas voltais
6 % temperature - Temperatūra Kelvinais
7 % electronCount - Perduodamų elektronų skaičius
8 % reactionQuotient - Reakcijos koeficientas Q
9 %
10 % Išvestis:
11 % emf - Elementų potencialas (EMF) voltais
12
13 % Konstantos
14 R = 8.314; % Dujų konstanta J/(mol·K)
15 F = 96485; % Faradėjaus konstanta C/mol
16
17 % Apskaičiuoti RT/nF
18 rtOverNF = (R * temperature) / (electronCount * F);
19
20 % Apskaičiuoti natūralų logaritmą reakcijos koeficiento
21 lnQ = log(reactionQuotient);
22
23 % Apskaičiuoti EMF naudojant Nernsto lygtį
24 emf = standardPotential - (rtOverNF * lnQ);
25end
26
27% Pavyzdžio naudojimas
28standardPotential = 1.10; % voltai
29temperature = 298; % Kelvinais
30electronCount = 2;
31reactionQuotient = 1.5;
32
33emf = calculateEMF(standardPotential, temperature, electronCount, reactionQuotient);
34fprintf('Apskaičiuota EMF: %.4f V\n', emf);
35
1public class EMFCalculator {
2 // Konstantos
3 private static final double R = 8.314; // Dujų konstanta J/(mol·K)
4 private static final double F = 96485; // Faradėjaus konstanta C/mol
5
6 /**
7 * Apskaičiuoti EMF naudojant Nernsto lygtį
8 *
9 * @param standardPotential Standartinis elementų potencialas voltais
10 * @param temperature Temperatūra Kelvinais
11 * @param electronCount Perduodamų elektronų skaičius
12 * @param reactionQuotient Reakcijos koeficientas Q
13 * @return Elementų potencialas (EMF) voltais
14 */
15 public static double calculateEMF(double standardPotential, double temperature,
16 int electronCount, double reactionQuotient) {
17 // Apskaičiuoti RT/nF
18 double rtOverNF = (R * temperature) / (electronCount * F);
19
20 // Apskaičiuoti natūralų logaritmą reakcijos koeficiento
21 double lnQ = Math.log(reactionQuotient);
22
23 // Apskaičiuoti EMF naudojant Nernsto lygtį
24 double emf = standardPotential - (rtOverNF * lnQ);
25
26 return emf;
27 }
28
29 public static void main(String[] args) {
30 double standardPotential = 1.10; // voltai
31 double temperature = 298; // Kelvinais
32 int electronCount = 2;
33 double reactionQuotient = 1.5;
34
35 double emf = calculateEMF(standardPotential, temperature, electronCount, reactionQuotient);
36 System.out.printf("Apskaičiuota EMF: %.4f V%n", emf);
37 }
38}
39
1#include <iostream>
2#include <cmath>
3#include <iomanip>
4
5/**
6 * Apskaičiuoti EMF naudojant Nernsto lygtį
7 *
8 * @param standardPotential Standartinis elementų potencialas voltais
9 * @param temperature Temperatūra Kelvinais
10 * @param electronCount Perduodamų elektronų skaičius
11 * @param reactionQuotient Reakcijos koeficientas Q
12 * @return Elementų potencialas (EMF) voltais
13 */
14double calculateEMF(double standardPotential, double temperature,
15 int electronCount, double reactionQuotient) {
16 // Konstantos
17 const double R = 8.314; // Dujų konstanta J/(mol·K)
18 const double F = 96485; // Faradėjaus konstanta C/mol
19
20 // Apskaičiuoti RT/nF
21 double rtOverNF = (R * temperature) / (electronCount * F);
22
23 // Apskaičiuoti natūralų logaritmą reakcijos koeficiento
24 double lnQ = std::log(reactionQuotient);
25
26 // Apskaičiuoti EMF naudojant Nernsto lygtį
27 double emf = standardPotential - (rtOverNF * lnQ);
28
29 return emf;
30}
31
32int main() {
33 double standardPotential = 1.10; // voltai
34 double temperature = 298; // Kelvinais
35 int electronCount = 2;
36 double reactionQuotient = 1.5;
37
38 double emf = calculateEMF(standardPotential, temperature, electronCount, reactionQuotient);
39 std::cout << "Apskaičiuota EMF: " << std::fixed << std::setprecision(4) << emf << " V" << std::endl;
40
41 return 0;
42}
43
Bard, A. J., & Faulkner, L. R. (2001). Elektrocheminiai Metodai: Pagrindai ir Taikymas (2-asis leidimas). John Wiley & Sons.
Atkins, P., & de Paula, J. (2014). Atkinso Fizikinė Chemija (10-asis leidimas). Oxford University Press.
Bagotsky, V. S. (2005). Elektrocheminiai Pagrindai (2-asis leidimas). John Wiley & Sons.
Bockris, J. O'M., & Reddy, A. K. N. (2000). Moderni Elektrochemija (2-asis leidimas). Kluwer Akademiniai Leidiniai.
Hamann, C. H., Hamnett, A., & Vielstich, W. (2007). Elektrochemija (2-asis leidimas). Wiley-VCH.
Newman, J., & Thomas-Alyea, K. E. (2012). Elektrocheminės Sistemos (3-iasis leidimas). John Wiley & Sons.
Pletcher, D., & Walsh, F. C. (1993). Pramoninė Elektrochemija (2-asis leidimas). Springer.
Wang, J. (2006). Analitinė Elektrochemija (3-iasis leidimas). John Wiley & Sons.
Mūsų Elementų EMF Skaičiuoklė suteikia tikslius, momentinius rezultatus jūsų elektrokemijos skaičiavimams. Nesvarbu, ar esate studentas, mokantis apie Nernsto lygtį, tyrėjas, atliekantis eksperimentus, ar inžinierius, kuriantis elektrokemines sistemas, šis įrankis sutaupys jums laiko ir užtikrins tikslumą. Įveskite savo parametrus dabar, kad apskaičiuotumėte tikslią EMF savo specifinėms sąlygoms!
Raskite daugiau įrankių, kurie gali būti naudingi jūsų darbo eiga.