معادلة نرنست وجهود الخلية
تربط معادلة نرنست الجهد التوازني لقطب كهربائي أو خلية بأنشطة الأنواع الكيميائية المشاركة في تفاعلات الأكسدة والاختزال، وتحدد كيف يغير التركيز القوة الدافعة للتفاعل الكهروكيميائي.
Definition
معادلة، E = E° − (RT/nF) ln Q، تعطي الجهد التوازني لنصف خلية كهروكيميائية أو خلية كاملة كدالة للجهد القياسي وخارج قسمة التفاعل لأنشطة الأنواع الكيميائية.
Scope
يغطي هذا الموضوع اشتقاق وتطبيق معادلة نرنست، ومعنى جهود الأقطاب القياسية، والبناء التجميعي لجهود الخلية من أنصاف التفاعلات، واعتماد الجهد على درجة الحرارة والتركيز. ويتضمن استخدام المعادلة للتنبؤ باتجاه التفاعل، وحساب ثوابت الاتزان من بيانات الخلية، وتفسير خلايا التركيز.
Core questions
- كيف يتغير جهد نصف الخلية مع اختلاف تركيزات الأنواع المؤكسدة والمختزلة؟
- كيف يتم تجميع جهود الخلية الكاملة من جهود الاختزال القياسية المجدولة لأنصاف الخلايا؟
- كيف يمكن استخلاص ثوابت الاتزان والطاقات الحرة من جهود الخلية المقاسة؟
- ما هي خلية التركيز وكيف تولد جهداً من نوع كيميائي واحد؟
Key theories
- معادلة نرنست
- مشتقة من مساواة الشغل الكهربائي والكيميائي عند الاتزان، وهي تعبر عن جهد القطب كدالة لوغاريتمية لأنشطة الأنواع الكيميائية، وتختزل إلى E° عند نشاط الوحدة وتتنبأ بتحول قدره 59 ملي فولت لكل عقدة لكل إلكترون عند 25 درجة مئوية.
- قابلية جمع جهود أنصاف الخلايا
- يساوي الجهد القياسي للخلية الكاملة جهد اختزال الكاثود مطروحاً منه جهد اختزال الأنود، وكلاهما يُشار إليه بالقطب الهيدروجيني القياسي، مما يسمح بالتنبؤ بالعفوية من القيم المجدولة.
Clinical relevance
تحكم معادلة نرنست استجابة مقاييس الأس الهيدروجيني (pH meters)، والأقطاب الانتقائية للأيونات (ion-selective electrodes)، والمستشعرات الحيوية (biosensors)، وتحدد جهد الدائرة المفتوحة للبطاريات، وتحدد كمياً جهود الغشاء في الفيزيولوجيا الكهربائية. وهي الأساس للتحليل الكمي بقياس الجهد (potentiometric quantitative analysis).
History
اشتق فالتر نرنست العلاقة في عام 1889 من خلال الجمع بين الديناميكا الحرارية والنظرية الأسموزية للمحاليل، بناءً على عمل فان هوف على المحاليل المخففة؛ وأصبح هذا الصياغة محورية في الكيمياء الفيزيائية وحصل على جائزة نوبل عام 1920.
Key figures
- Walther Nernst
- Jacobus Henricus van 't Hoff
Related topics
Seminal works
- nernst1889
- bard2001
- atkins2018
Frequently asked questions
- لماذا يبلغ ميل نرنست حوالي 59 ملي فولت لكل عقدة عند درجة حرارة الغرفة؟
- باستبدال R، و T = 298 كلفن، و F، وتحويل اللوغاريتمات الطبيعية إلى لوغاريتمات أساس 10، نحصل على 2.303RT/F ≈ 0.0592 فولت، لذا فإن كل تغيير بمقدار عشرة أضعاف في النشاط يغير جهد القطب ذي الإلكترون الواحد بحوالي 59 ملي فولت.
- هل يجب أن تستخدم معادلة نرنست التركيزات أم الأنشطة؟
- بشكل صارم، تستخدم الأنشطة؛ التركيزات هي تقريب صالح فقط في المحاليل المخففة، وتزداد الانحرافات مع القوة الأيونية، وهذا هو السبب في أهمية معاملات النشاط في العمل الدقيق.