Kalkulator EMF Sel - Alat Persamaan Nernst Percuma

Apakah kalkulator EMF sel?

Kalkulator EMF sel menentukan daya gerak elektrik (EMF) bagi sel elektrokimia, seperti bateri. EMF ialah voltan yang dihasilkan oleh sel, diukur dalam volt. Kalkulator ini menggunakan persamaan Nernst, yang melaraskan voltan piawai sel berdasarkan suhu sebenar dan kepekatan sebenar bahan kimia yang terlibat.

Apakah EMF?

Daya gerak elektrik ialah tolakan elektrik yang menggerakkan arus melalui litar. Dalam sel, daya ini terhasil daripada tindak balas kimia yang dipanggil tindak balas redoks, apabila elektron berpindah daripada satu bahan kepada bahan yang lain. EMF ialah voltan maksimum yang boleh dibekalkan oleh sel.

Persamaan Nernst

Persamaan Nernst memberikan voltan sel dalam apa-apa keadaan, bukan hanya keadaan piawai yang digunakan dalam buku teks.

$E = E° - \frac{RT}{nF} \ln(Q)$

Dengan:

• E ialah keupayaan sel (EMF), dalam volt.
• E° ialah keupayaan sel piawai, dalam volt. Ini ialah voltan yang diukur apabila setiap bahan kimia yang terlibat berada pada kepekatan 1 mol/L (atau 1 atm bagi gas) dan suhu ialah 25 °C.
• R ialah pemalar gas, 8.314 J/(mol·K).
• T ialah suhu, dalam kelvin.
• n ialah bilangan elektron yang dipindahkan dalam tindak balas.
• F ialah pemalar Faraday, 96,485 coulomb per mol elektron.
• Q ialah hasil bahagi tindak balas, iaitu nombor yang menerangkan nisbah semasa hasil tindak balas kepada bahan tindak balas.

Apakah hasil bahagi tindak balas (Q)?

Bagi tindak balas aA + bB → cC + dD, hasil bahagi tindak balas ialah:

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

Tanda kurung siku bermaksud kepekatan. Q bersamaan 1 apabila setiap bahan berada pada kepekatan piawai, menyebabkan keseluruhan terma pembetulan menjadi sifar dan E bersamaan E°.

Cara mengira EMF sel

1. Cari keupayaan sel piawai (E°). Rujuk nilai ini dalam jadual keupayaan penurunan piawai, dalam volt.
2. Catat suhu (T) dalam kelvin. Untuk menukar daripada Celsius, tambah 273.15.
3. Kira elektron yang dipindahkan (n) daripada tindak balas redoks yang seimbang.
4. Kira kuosien tindak balas (Q) daripada kepekatan bahan tindak balas dan hasil tindak balas.
5. Masukkan nombor ke dalam persamaan untuk mendapatkan E, iaitu EMF dalam volt.

Kalkulator pada halaman ini melakukan pengiraan tersebut secara automatik. Kalkulator ini juga memaparkan pecahan setiap sebutan (E°, RT/nF dan ln(Q)) supaya pengiraan boleh disemak secara manual.

Contoh pengiraan

Ambil sebuah sel dengan:

• Keupayaan piawai (E°): 1.10 V
• Suhu: 298 K (kira-kira 25 °C)
• Elektron yang dipindahkan (n): 2
• Kuosien tindak balas (Q): 1.5

Mula-mula cari RT/(nF):

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

Seterusnya cari ln(Q):

$\ln(1.5) \approx 0.4055$

Darabkan kedua-duanya, kemudian tolak hasilnya daripada E°:

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

EMF sel dalam keadaan ini ialah kira-kira 1.0948 V, sedikit lebih rendah daripada keupayaan piawainya, iaitu 1.10 V.

Persamaan ringkas pada 25 °C

Tepat pada 25 °C (298.15 K), buku teks sering menukar logaritma asli kepada asas-10 dan menggabungkan pemalar menjadi satu nombor:

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

Jalan pintas ini memberikan jawapan yang sama seperti persamaan penuh, dalam had pembundaran, hanya pada 25 °C. Kalkulator pada halaman ini sentiasa menggunakan persamaan penuh dengan suhu sebenar yang dimasukkan, jadi pengiraannya kekal tepat pada apa-apa suhu.

Bilakah persamaan Nernst penting?

• Bateri. Voltan bateri menurun apabila bahan kimia di dalamnya habis digunakan, kerana Q menyimpang daripada 1. Persamaan Nernst meramalkan jumlah penurunan voltan tersebut.
• Kakisan. Jurutera menggunakannya untuk menganggarkan kebarangkalian sesuatu logam mengalami kakisan dalam persekitaran tertentu.
• Sel kepekatan. Sel boleh dibina daripada dua tindak balas separuh yang sama pada kepekatan berbeza. Di sini E° ialah sifar, jadi keseluruhan voltan datang daripada sebutan Nernst.
• Kelas kimia. Persamaan ini merupakan topik piawai untuk menunjukkan hubungan antara termodinamik dengan elektrik.

Soalan lazim

Apakah unit yang digunakan oleh persamaan Nernst?

E dan E° adalah dalam volt. T adalah dalam kelvin, bukan Celsius. R dan F ialah pemalar tetap (8.314 J/(mol·K) dan 96,485 C/mol). Q tidak mempunyai unit kerana ia ialah nisbah kepekatan.

Mengapakah EMF yang saya kira bernilai negatif?

EMF negatif bermaksud tindak balas seperti yang ditulis tidak berlaku secara spontan dalam arah ke hadapan. Sebaliknya, tindak balas itu akan berlaku secara songsang. Keadaan ini juga boleh berlaku jika anod dan katod tertukar secara tidak sengaja, atau jika E° dimasukkan dengan tanda yang salah.

Bagaimanakah suhu mempengaruhi keupayaan sel?

Peningkatan suhu meningkatkan magnitud sebutan pembetulan RT/(nF). Bagi kebanyakan tindak balas, perubahan ini kecil, iaitu beberapa milivolt bagi setiap perubahan 10 °C, walaupun kesan tepatnya bergantung pada tindak balas tersebut.

Apakah maksudnya jika Q bersamaan 1?

Apabila Q bersamaan 1, ln(Q) bersamaan 0, maka sebutan pembetulan hilang dan E bersamaan E°. Keadaan ini berlaku apabila setiap bahan tindak balas dan hasil tindak balas berada pada kepekatan piawainya.

Bolehkah persamaan Nernst digunakan untuk sel kepekatan?

Ya. Dalam sel kepekatan, pasangan redoks yang sama muncul pada kedua-dua sisi, jadi E° ialah sifar dan persamaan itu dipermudahkan menjadi:

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

Apakah perbezaan antara E° dengan E°'?

E° ialah keupayaan piawai dalam keadaan makmal piawai. E°' ialah “keupayaan formal”, iaitu versi yang diselaraskan untuk pH tetap atau keadaan larutan lain, dan lazim digunakan dalam biokimia.

Siapakah yang mencipta persamaan Nernst?

Ahli kimia Jerman Walther Nernst menerbitkan persamaan ini pada 1889, yang menghubungkan termodinamik dengan elektrokimia. Beliau memenangi Hadiah Nobel dalam Kimia pada 1920, terutamanya atas hasil kerja ini dan kerja berkaitan keseimbangan kimia.