معادله نرنست و پتانسیلهای سلولی
معادله نرنست پتانسیل تعادلی یک الکترود یا سلول را به فعالیت گونههای ردوکس شرکتکننده مرتبط میسازد و چگونگی تغییر غلظت در نیروی محرکه یک واکنش الکتروشیمیایی را کمیسازی میکند.
Definition
معادلهای، E = E° − (RT/nF) ln Q، که پتانسیل تعادلی یک نیمسلول یا سلول کامل الکتروشیمیایی را به عنوان تابعی از پتانسیل استاندارد و خارج قسمت واکنش فعالیت گونهها ارائه میدهد.
Scope
این مبحث به اشتقاق و کاربرد معادله نرنست، معنای پتانسیلهای استاندارد الکترود، ساختار افزایشی پتانسیلهای سلولی از نیمواکنشها، و وابستگی پتانسیل به دما و غلظت میپردازد. این شامل استفاده از معادله برای پیشبینی جهت واکنش، محاسبه ثابتهای تعادل از دادههای سلولی، و تفسیر سلولهای غلظتی است.
Core questions
- چگونه پتانسیل یک نیمسلول با تغییر غلظت گونههای اکسید شده و احیا شده تغییر میکند؟
- چگونه پتانسیلهای سلول کامل از پتانسیلهای کاهش نیمسلول جدولبندی شده مونتاژ میشوند؟
- چگونه میتوان ثابتهای تعادل و انرژیهای آزاد را از پتانسیلهای سلولی اندازهگیری شده استخراج کرد؟
- سلول غلظتی چیست و چگونه از یک گونه شیمیایی واحد پتانسیل تولید میکند؟
Key theories
- معادله نرنست
- این معادله که از برابر قرار دادن کار الکتریکی و شیمیایی در تعادل مشتق شده است، پتانسیل الکترود را به عنوان تابعی لگاریتمی از فعالیت گونهها بیان میکند، در فعالیت واحد به E° کاهش مییابد و یک تغییر ۵۹ میلیولتی در هر دهه به ازای هر الکترون در ۲۵ درجه سانتیگراد را پیشبینی میکند.
- جمعپذیری پتانسیلهای نیمسلول
- پتانسیل استاندارد یک سلول کامل برابر با پتانسیل کاهش کاتد منهای پتانسیل کاهش آند است که هر دو نسبت به الکترود استاندارد هیدروژن مرجعگذاری شدهاند و امکان پیشبینی خودبهخودی بودن از مقادیر جدولبندی شده را فراهم میکند.
Clinical relevance
معادله نرنست پاسخ pH مترها، الکترودهای انتخابی یون، و بیوسنسورها را کنترل میکند، ولتاژ مدار باز باتریها را تعیین میکند، و پتانسیلهای غشایی در الکتروفیزیولوژی را کمیسازی میکند. این معادله اساس آنالیز کمی پتانسیومتری است.
History
والتر نرنست این رابطه را در سال ۱۸۸۹ با ترکیب ترمودینامیک با نظریه اسمزی محلولها، بر اساس کار وانت هوف در مورد محلولهای رقیق، استخراج کرد؛ این فرمولاسیون به محور شیمی فیزیک تبدیل شد و در سال ۱۹۲۰ با جایزه نوبل به رسمیت شناخته شد.
Key figures
- Walther Nernst
- Jacobus Henricus van 't Hoff
Related topics
Seminal works
- nernst1889
- bard2001
- atkins2018
Frequently asked questions
- چرا شیب نرنست در دمای اتاق حدود ۵۹ میلیولت در هر دهه است؟
- با جایگزینی R، T = ۲۹۸ کلوین، F، و تبدیل لگاریتم طبیعی به لگاریتم پایه ۱۰، ۲.۳۰۳RT/F ≈ ۰.۰۵۹۲ ولت به دست میآید، بنابراین هر تغییر ده برابری در فعالیت، پتانسیل یک الکترود تکالکترونی را تقریباً ۵۹ میلیولت تغییر میدهد.
- آیا معادله نرنست باید از غلظتها استفاده کند یا فعالیتها؟
- به طور دقیق از فعالیتها استفاده میکند؛ غلظتها تقریبی هستند که فقط در محلولهای رقیق معتبرند، و انحرافات با افزایش قدرت یونی بیشتر میشوند، به همین دلیل ضرایب فعالیت در کارهای دقیق اهمیت دارند.