能斯特方程和电池电位
能斯特方程将电极或电池的平衡电位与参与氧化还原物种的活度联系起来，量化了浓度如何改变电化学反应的驱动力。
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Definition
一个方程，E = E° − (RT/nF) ln Q，它将电化学半电池或全电池的平衡电位表示为标准电位和物种活度反应商的函数。
Scope
本主题涵盖能斯特方程的推导和应用、标准电极电位的含义、半反应构建电池电位的加和性，以及电位对温度和浓度的依赖性。它包括使用该方程预测反应方向、从电池数据计算平衡常数以及解释浓差电池。
Core questions
- 当氧化态和还原态物种的浓度变化时，半电池的电位如何变化？
- 如何从列表中的半电池还原电位组装全电池电位？
- 如何从测量的电池电位中提取平衡常数和自由能？
- 什么是浓差电池，它如何从单一化学物种产生电位？
Key theories
- 能斯特方程
- 通过平衡时电功和化学功相等推导而来，它将电极电位表示为物种活度的对数函数，在单位活度时简化为E°，并预测在25°C下，每电子转移，电位随浓度变化十倍时会发生59 mV的偏移。
- 半电池电位的加和性
- 全电池的标准电位等于阴极还原电位减去阳极还原电位，两者均以标准氢电极作为参考，从而可以通过列表值预测反应的自发性。
Clinical relevance
能斯特方程控制着pH计、离子选择电极和生物传感器的响应，决定了电池的开路电压，并量化了电生理学中的膜电位。它是电位法定量分析的基础。
History
瓦尔特·能斯特于1889年通过将热力学与溶液的渗透理论相结合，在范特霍夫稀溶液工作的基础上推导出了这一关系；该公式成为物理化学的核心，并因其贡献获得了1920年诺贝尔奖的认可。
Key figures
- Walther Nernst
- Jacobus Henricus van 't Hoff
Related topics
Seminal works
- nernst1889
- bard2001
- atkins2018
Frequently asked questions
- 为什么在室温下能斯特斜率约为每十倍浓度变化59 mV？
- 代入R、T = 298 K、F，并将自然对数转换为以10为底的对数，得到2.303RT/F ≈ 0.0592 V，因此每十倍活度变化会使单电子电极电位大约偏移59 mV。
- 能斯特方程应该使用浓度还是活度？
- 严格来说，它使用活度；浓度只是在稀溶液中有效的近似值，偏差随离子强度的增加而增大，这就是为什么在精确工作中活度系数很重要。