Kalkulator EMF celice - Brezplačno orodje Nernstove enačbe

Kaj je kalkulator EMF celice?

Kalkulator EMF celice izračuna elektromotorno silo (EMF) elektrokemijske celice, na primer baterije. EMF je napetost, ki jo proizvaja celica, merjena v voltih. Kalkulator uporablja Nernstovo enačbo, ki standardno napetost celice prilagodi dejanski temperaturi in dejanskim koncentracijam vključenih kemikalij.

Kaj je EMF?

Elektromotorna napetost je napetost, ki poganja električni tok skozi vezje. V celici nastane zaradi kemijske reakcije, imenovane redoksreakcija, pri kateri se elektroni premikajo iz ene snovi v drugo. EMF je največja napetost, ki jo celica lahko zagotavlja.

Nernstova enačba

Nernstova enačba podaja napetost celice pri poljubnih pogojih, ne le pri standardnih pogojih, ki se uporabljajo v učbenikih.

$E = E° - \frac{RT}{nF} \ln(Q)$

Pri tem:

• E je potencial celice (EMF), izražen v voltih.
• E° je standardni potencial celice, izražen v voltih. To je napetost, izmerjena, ko je vsaka vključena kemijska snov v koncentraciji 1 mol/L (oziroma 1 atm za pline), temperatura pa je 25 °C.
• R je plinska konstanta, 8,314 J/(mol·K).
• T je temperatura, izražena v kelvinih.
• n je število elektronov, prenesenih v reakciji.
• F je Faradayeva konstanta, 96.485 kulonov na mol elektronov.
• Q je reakcijski kvocient, število, ki opisuje trenutno razmerje med produkti in reaktanti.

Kaj je reakcijski kvocient (Q)?

Pri reakciji aA + bB → cC + dD je reakcijski kvocient:

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

Oglati oklepaji pomenijo koncentracijo. Q je enak 1, ko je vsaka snov v standardni koncentraciji, zato celoten korekcijski člen odpade in E postane enak E°.

Kako izračunati EMF celice

1. Poiščite standardni potencial celice (E°). Poiščite ga v tabeli standardnih redukcijskih potencialov, izraženih v voltih.
2. Zabeležite temperaturo (T) v kelvinih. Za pretvorbo iz Celzijeve lestvice prištejte 273,15.
3. Preštejte prenesene elektrone (n) iz uravnotežene redoksreakcije.
4. Izračunajte reakcijski kvocient (Q) iz koncentracij reaktantov in produktov.
5. Vstavite števila v enačbo, da dobite E, EMF v voltih.

Kalkulator na tej strani to naredi samodejno. Prikaže tudi razčlenitev posameznih členov (E°, RT/nF in ln(Q)), tako da je izračun mogoče preveriti ročno.

Rešen primer

Vzemimo celico z naslednjimi podatki:

• Standardni potencial (E°): 1,10 V
• Temperatura: 298 K (približno 25 °C)
• Preneseni elektroni (n): 2
• Reakcijski kvocient (Q): 1,5

Najprej izračunajte RT/(nF):

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

Nato izračunajte ln(Q):

$\ln(1.5) \approx 0.4055$

Pomnožite ju, nato rezultat odštejte od E°:

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

EMF celice pri teh pogojih je približno 1,0948 V, kar je nekoliko manj od njenega standardnega potenciala 1,10 V.

Poenostavljena enačba pri 25 °C

Pri natančno 25 °C (298,15 K) učbeniki pogosto pretvorijo naravni logaritem v logaritem z osnovo 10 in konstante združijo v eno samo število:

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

Ta bližnjica daje enak rezultat kot celotna enačba, upoštevaje zaokroževanje, samo pri 25 °C. Kalkulator na tej strani vedno uporablja celotno enačbo z vneseno dejansko temperaturo, zato ostane natančen pri kateri koli temperaturi.

Kdaj je Nernstova enačba pomembna?

• Baterije. Napetost baterije se zmanjšuje, ko se kemijske snovi v njej porabljajo, ker se Q oddaljuje od 1. Nernstova enačba napove, za koliko se napetost zmanjša.
• Korozija. Inženirji jo uporabljajo za oceno verjetnosti, da bo kovina v danem okolju korodirala.
• Koncentracijske celice. Celico je mogoče sestaviti iz istih dveh polreakcij pri različnih koncentracijah. Tukaj je E° enak nič, zato celotna napetost izvira iz Nernstovega člena.
• Poučevanje kemije. To je standardna tema za prikaz povezave med termodinamiko in elektriko.

Pogosta vprašanja

Katere enote uporablja Nernstova enačba?

E in E° sta izražena v voltih. T je izražen v kelvinih, ne v stopinjah Celzija. R in F sta fiksni konstanti (8,314 J/(mol·K) in 96.485 C/mol). Q nima enot, saj je razmerje koncentracij.

Zakaj je moj izračunani EMF negativen?

Negativen EMF pomeni, da se reakcija, kot je zapisana, sama od sebe ne odvija v naprej. Namesto tega bi potekala v obratni smeri. To se lahko zgodi tudi, če sta bili anoda in katoda pomotoma zamenjani ali če je bil E° vnesen z napačnim predznakom.

Kako temperatura vpliva na potencial celice?

Zvišanje temperature poveča velikost korekcijskega člena RT/(nF). Pri večini reakcij to pomeni majhno spremembo, nekaj milivoltov na spremembo za 10 °C, vendar je natančen učinek odvisen od reakcije.

Kaj pomeni, če je Q enak 1?

Ko je Q enak 1, je ln(Q) enak 0, zato korekcijski člen izgine in je E enak E°. To se zgodi, ko je vsak reaktant in produkt v standardni koncentraciji.

Ali je mogoče Nernstovo enačbo uporabiti za koncentracijske celice?

Da. V koncentracijski celici se isti redoks par pojavlja na obeh straneh, zato je E° enak nič in se enačba poenostavi v:

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

Kakšna je razlika med E° in E°'?

E° je standardni potencial pri standardnih laboratorijskih pogojih. E°' je »formalni potencial«, različica, prilagojena stalnemu pH ali drugim pogojem raztopine, in se pogosto uporablja v biokemiji.

Kdo je izumil Nernstovo enačbo?

Nemški kemik Walther Nernst je enačbo izpeljal leta 1889 in s tem povezal termodinamiko z elektrokemijo. Nobelovo nagrado za kemijo je prejel leta 1920, predvsem za to in sorodno delo na področju kemijskega ravnotežja.