Šūnas EMF Kalkulators - Bezmaksas Nernsta Vienādojuma Rīks

Kas ir galvaniskā elementa EDS kalkulators?

Galvaniskā elementa EDS kalkulators aprēķina elektroķīmiskā elementa, piemēram, baterijas, elektrodzinējspēku (EDS). EDS ir elementa radītais spriegums, ko mēra voltos. Kalkulators izmanto Nernta vienādojumu, kas pielāgo elementa standarta spriegumu faktiskajai temperatūrai un iesaistīto ķīmisko vielu faktiskajām koncentrācijām.

Kas ir EDS?

Elektrodzinējspēks ir elektriskais dzinulis, kas virza strāvu caur elektrisko ķēdi. Elementā to rada ķīmiska reakcija, ko sauc par redoksreakciju, kurā elektroni pārvietojas no vienas vielas uz citu. EDS ir maksimālais spriegums, ko elements var nodrošināt.

Nernta vienādojums

Nernta vienādojums nosaka elementa spriegumu jebkuros apstākļos, ne tikai standarta apstākļos, ko izmanto mācību grāmatās.

$E = E° - \frac{RT}{nF} \ln(Q)$

Kur:

• E ir elementa potenciāls (EDS), ko mēra voltos.
• E° ir elementa standarta potenciāls, ko mēra voltos. Tas ir spriegums, ko mēra, kad katra iesaistītā ķīmiskā viela atrodas 1 mol/l koncentrācijā (vai gāzes — pie 1 atm) un temperatūra ir 25 °C.
• R ir gāzu konstante, 8,314 J/(mol·K).
• T ir temperatūra kelvinos.
• n ir reakcijā pārnesto elektronu skaits.
• F ir Faradeja konstante, 96 485 kuloni uz vienu elektronu mola.
• Q ir reakcijas kvocients — skaitlis, kas raksturo pašreizējo produktu un reaģentu attiecību.

Kas ir reakcijas kvocients (Q)?

Reakcijai aA + bB → cC + dD reakcijas kvocients ir:

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

Kvadrātiekavas apzīmē koncentrāciju. Q ir vienāds ar 1, kad katra viela atrodas standarta koncentrācijā; tādēļ viss korekcijas loceklis pazūd un E kļūst vienāds ar E°.

Kā aprēķināt galvaniskā elementa EDS

1. Atrodiet elementa standarta potenciālu (E°). Atrodiet to standarta reducēšanās potenciālu tabulā; potenciālu mēra voltos.
2. Nosakiet temperatūru (T) kelvinos. Lai pārvērstu temperatūru no Celsija skalas, pieskaitiet 273,15.
3. Saskaitiet pārnestos elektronus (n) pēc sabalansētās redoksreakcijas.
4. Aprēķiniet reakcijas kvocientu (Q), izmantojot reaģentu un produktu koncentrācijas.
5. Ievietojiet skaitļus vienādojumā, lai iegūtu E — EDS voltos.

Šīs lapas kalkulators to izdara automātiski. Tas arī parāda katra locekļa (E°, RT/nF un ln(Q)) sadalījumu, lai aprēķinu varētu pārbaudīt ar roku.

Aprēķina piemērs

Aplūkosim elementu ar šādiem parametriem:

• Standarta potenciāls (E°): 1,10 V
• Temperatūra: 298 K (aptuveni 25 °C)
• Pārnestie elektroni (n): 2
• Reakcijas koeficients (Q): 1,5

Vispirms aprēķiniet RT/(nF):

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

Pēc tam aprēķiniet ln(Q):

$\ln(1.5) \approx 0.4055$

Sareiziniet abas vērtības un pēc tam atņemiet rezultātu no E°:

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

Elementa EDS šādos apstākļos ir aptuveni 1,0948 V, kas ir nedaudz mazāks par tā standarta potenciālu 1,10 V.

Vienkāršots vienādojums pie 25 °C

Tieši pie 25 °C (298,15 K) mācību grāmatās dabisko logaritmu bieži pārveido par logaritmu ar bāzi 10 un konstantes apvieno vienā skaitlī:

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

Šis saīsinātais veids dod tādu pašu atbildi kā pilnais vienādojums, ņemot vērā noapaļošanu, tikai pie 25 °C. Šīs lapas kalkulators vienmēr izmanto pilno vienādojumu ar ievadīto faktisko temperatūru, tāpēc tas saglabā precizitāti jebkurā temperatūrā.

Kad Nernta vienādojums ir nozīmīgs?

• Baterijas. Baterijas spriegums samazinās, kad tajā esošās ķīmiskās vielas tiek izlietotas, jo Q attālinās no 1. Nernta vienādojums prognozē, par cik spriegums samazināsies.
• Korozija. Inženieri to izmanto, lai novērtētu, cik iespējama ir metāla korozija konkrētā vidē.
• Koncentrācijas galvaniskie elementi. Galvanisko elementu var izveidot, izmantojot vienas un tās pašas divas pusreakcijas ar atšķirīgām koncentrācijām. Šeit E° ir nulle, tāpēc visu spriegumu rada Nernsta loceklis.
• Ķīmijas mācības. Tā ir standarta tēma, kas parāda, kā termodinamika ir saistīta ar elektrību.

Bieži uzdotie jautājumi

Kādas mērvienības izmanto Nernta vienādojumā?

E un E° izsaka voltos. T izsaka kelvinos, nevis Celsija grādos. R un F ir fiksētas konstantes (8,314 J/(mol·K) un 96 485 C/mol). Q nav mērvienības, jo tas ir koncentrāciju attiecība.

Kāpēc mans aprēķinātais EDS ir negatīvs?

Negatīvs EDS nozīmē, ka reakcija, kā tā uzrakstīta, pati no sevis nenotiek tiešajā virzienā. Tā notiktu pretējā virzienā. Tas var notikt arī tad, ja anods un katods kļūdas dēļ ir samainīti vietām vai ja E° ievadīts ar nepareizu zīmi.

Kā temperatūra ietekmē elementa potenciālu?

Temperatūras paaugstināšana palielina korekcijas locekļa RT/(nF) lielumu. Lielākajai daļai reakciju tas rada nelielu, dažu milivoltu atšķirību uz katru 10 °C izmaiņu, taču precīzā ietekme ir atkarīga no reakcijas.

Ko nozīmē, ja Q ir vienāds ar 1?

Ja Q ir vienāds ar 1, ln(Q) ir vienāds ar 0, tāpēc korekcijas loceklis pazūd un E kļūst vienāds ar E°. Tas notiek, kad katrs reaģents un produkts atrodas standarta koncentrācijā.

Vai Nernta vienādojumu var izmantot koncentrācijas elementiem?

Jā. Koncentrācijas galvaniskajā elementā abās pusēs ir viens un tas pats redoks pāris, tāpēc E° ir nulle un vienādojums vienkāršojas līdz:

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

Kāda ir atšķirība starp E° un E°'?

E° ir standarta potenciāls standarta laboratorijas apstākļos. E°' ir “formālais potenciāls” — versija, kas pielāgota fiksētam pH vai citiem šķīduma apstākļiem un ko bieži izmanto bioķīmijā.

Kas izgudroja Nernta vienādojumu?

Vācu ķīmiķis Valters Nernts atvasināja šo vienādojumu 1889. gadā, sasaistot termodinamiku ar elektroķīmiju. Viņš saņēma Nobela prēmiju ķīmijā 1920. gadā, galvenokārt par šo un saistīto darbu pie ķīmiskā līdzsvara.