Nernst Denklemi ve Hücre Potansiyelleri
Nernst denklemi, bir elektrot veya hücrenin denge potansiyelini, katılımcı redoks türlerinin aktiviteleriyle ilişkilendirmekte ve konsantrasyonun elektrokimyasal bir reaksiyonun itici gücünü nasıl değiştirdiğini nicel olarak belirlemektedir.
Tanım
E = E° − (RT/nF) ln Q şeklinde ifade edilen, elektrokimyasal bir yarı hücre veya tam hücrenin denge potansiyelini, standart potansiyelin ve tür aktivitelerinin reaksiyon bölümünün bir fonksiyonu olarak veren bir denklemdir.
Kapsam
Bu konu, Nernst denkleminin türetilmesi ve uygulanmasını, standart elektrot potansiyellerinin anlamını, yarı reaksiyonlardan hücre potansiyellerinin toplanarak oluşturulmasını ve potansiyelin sıcaklık ile konsantrasyona bağımlılığını kapsamaktadır. Ayrıca, denklemin reaksiyon yönünü tahmin etmek, hücre verilerinden denge sabitlerini hesaplamak ve konsantrasyon hücrelerini yorumlamak için kullanımını da içermektedir.
Temel sorular
- Yarı hücre potansiyeli, oksitlenmiş ve indirgenmiş türlerin konsantrasyonları değiştikçe nasıl değişmektedir?
- Tam hücre potansiyelleri, tablolaştırılmış yarı hücre indirgenme potansiyellerinden nasıl oluşturulmaktadır?
- Denge sabitleri ve serbest enerjiler, ölçülen hücre potansiyellerinden nasıl elde edilebilmektedir?
- Konsantrasyon hücresi nedir ve tek bir kimyasal türden nasıl potansiyel üretmektedir?
Temel kuramlar
- Nernst denklemi
- Dengede elektriksel ve kimyasal işin eşitlenmesinden türetilen bu denklem, elektrot potansiyelini tür aktivitelerinin logaritmik bir fonksiyonu olarak ifade etmektedir. Birim aktivitede E°'ye indirgenmekte ve 25 °C'de elektron başına on katlık aktivite değişiminde 59 mV'lik bir kayma öngörmektedir.
- Yarı hücre potansiyellerinin toplanabilirliği
- Bir tam hücrenin standart potansiyeli, hem katot hem de anot indirgenme potansiyellerinin standart hidrojen elektroduna göre referans alınarak, katot indirgenme potansiyeli eksi anot indirgenme potansiyeline eşittir. Bu durum, tablolaştırılmış değerlerden kendiliğindenliğin tahmin edilmesine olanak tanımaktadır.
Klinik önem
Nernst denklemi, pH metrelerin, iyon seçici elektrotların ve biyosensörlerin yanıtını yönetmekte, bataryaların açık devre voltajını belirlemekte ve elektrofizyolojide membran potansiyellerini nicel olarak ifade etmektedir. Potansiyometrik kantitatif analizin temelini oluşturmaktadır.
Tarihçe
Walther Nernst, bu ilişkiyi 1889 yılında termodinamiği çözeltilerin ozmotik teorisiyle birleştirerek, van 't Hoff'un seyreltik çözeltiler üzerine yaptığı çalışmalardan yararlanarak türetmiştir; bu formülasyon fiziksel kimyanın merkezi bir parçası haline gelmiş ve 1920 Nobel Ödülü ile tanınmıştır.
Öne çıkan isimler
- Walther Nernst
- Jacobus Henricus van 't Hoff
İlgili konular
Temel eserler
- nernst1889
- bard2001
- atkins2018
Sıkça sorulan sorular
- Oda sıcaklığında Nernst eğimi neden yaklaşık 59 mV/onluktur?
- R, T = 298 K, F değerleri yerine konulduğunda ve doğal logaritma 10 tabanına dönüştürüldüğünde 2.303RT/F ≈ 0.0592 V elde edilmektedir; bu nedenle her on katlık aktivite değişimi, tek elektronlu bir elektrot potansiyelini yaklaşık 59 mV kaydırmaktadır.
- Nernst denklemi konsantrasyonları mı yoksa aktiviteleri mi kullanmalıdır?
- Kesin olarak aktiviteleri kullanmaktadır; konsantrasyonlar yalnızca seyreltik çözeltilerde geçerli bir yaklaşımdır ve sapmalar iyonik kuvvetle artmaktadır, bu nedenle doğru çalışmalarda aktivite katsayıları önem taşımaktadır.