Konsantrasyon Değişikliklerine Hücre Emf Bağımlılığı  

Nernst denklemi

Bir elektrokimyasal hücrenin standart potansiyeli, tüm reaktanlar için standart koşullar (ΔG °) gerektirir. Reaktif konsantrasyonları standart koşullardan farklı olduğunda, hücre potansiyeli standart potansiyelden sapacaktır. 20. yüzyılda Alman kimyager Walther Nernst , reaktan konsantrasyonunun elektrokimyasal hücre potansiyeli üzerindeki etkisini belirlemek için matematiksel bir model önerdi.

19. yüzyılın sonlarında, Josiah Willard Gibbs , serbest enerjiye dayanan bir kimyasal reaksiyonun kendiliğinden olup olmadığını tahmin etmek için bir teori formüle etmişti.

Burada AG değişimdir Gibbs serbest enerjisi , AG ° zaman, hücre potansiyeli S 1’e eşit olduğu, T mutlak sıcaklık (Kelvin),  R, bir gaz sabiti ve Q, bir reaksiyon bölüm kullanılarak reaktiflerin ürünlerini bölünmesiyle bulunabilir sadece sulu veya gaz halindeki ürünler ve reaktanlar.

Gibbs’in kilit katkısı, reaktan konsantrasyonunun kendiliğindenlik üzerindeki etkisinin anlaşılmasını resmileştirmekti.

Gibbs’in çalışmasına dayanarak, Nernst teoriyi yüklü türler üzerindeki elektrik potansiyelinden gelen katkıyı içerecek şekilde genişletti. Önceki bölümde gösterildiği gibi, bir elektrokimyasal hücre için Gibbs serbest enerjisindeki değişiklik, hücre potansiyeli ile ilişkili olabilir. Böylece Gibbs teorisi

Burada n, sayısıdır elektronlar / mol ürün, F olan Faraday’dır ( coulomb / mol ) ve AE olan hücre potansiyeli .

Son olarak, Nernst, şimdi adını taşıyan yeni bir denkleme ulaşmak için transfer edilen ücretin miktarına bölündü:

Standart koşullar (T = 25 ° C) ve R = 8.3145 J / (K · mol) varsayarsak , yukarıdaki denklem temelde aşağıda gösterildiği gibi 10 logaritma şeklinde ifade edilebilir : ^[24]

Not, RT / F olarak da bilinir termal gerilim V _{, T} ve plazma en ve yarı iletkenler de çalışma bulunur. Yukarıdaki denklemdeki 0.05916 V değeri, sadece standart sıcaklıktaki termal voltajın 10 doğal logaritması ile çarpımıdır.

Konsantrasyon hücreleri

Bir konsantrasyon hücresi, iki elektrotun aynı malzeme olduğu bir elektrokimyasal hücredir, iki yarım hücre üzerindeki elektrolitler aynı iyonları içerir, ancak elektrolit konsantrasyonu iki yarım hücre arasında farklılık gösterir.

Bir örnek, iki bakır elektrodun , konsantrasyonları bir tuz köprüsü yoluyla bağlanan 0.05 M ve 2.0 M olan iki bakır (II) sülfat çözeltisine daldırıldığı bir elektrokimyasal hücredir . Bu hücre tipi Nernst denklemi ile tahmin edilebilecek bir potansiyel üretecektir. Her ikisi de aynı kimyaya girebilir (reaksiyon anotta tersine ilerlese de)

Cu ²⁺ _(aq) + 2 e ^– → Cu _(s)

Le Chatelier ilkesi , Cu2 ⁺ iyonlarının konsantrasyonu arttıkça reaksiyonun indirgenmeye daha elverişli olduğunu gösterir . İndirgeme, konsantrasyonun daha yüksek olduğu hücre bölmesinde gerçekleşecek ve daha seyreltik tarafta oksidasyon meydana gelecektir.

Aşağıdaki hücre diyagramı yukarıda belirtilen hücreyi tarif eder:

Cu _(s) | Cu ²⁺ (0.05 M) || Cu ²⁺ (2,0 M) | Cu _(s)

Oksidasyon ve indirgeme için yarım hücre reaksiyonlarının olduğu yerler:

Oksidasyon: Cu _(s) → Cu ²⁺ (0.05 M) + 2 e ^–

İndirgeme: Cu ²⁺ (2,0 M) + 2 e ^– → Cu _(s)

Toplam reaksiyon: Cu ²⁺ (2.0 M) → Cu ²⁺ (0.05 M)

Hücrenin emf’i Nernst denklemi ile aşağıdaki gibi hesaplanır:

Bu tür hücrelerde E ° değeri sıfırdır, çünkü elektrotlar ve iyonlar her iki yarım hücrede de aynıdır.

Belirtilen vakadaki değerleri değiştirdikten sonra, hücrenin potansiyelini hesaplamak mümkündür:

veya tarafından:

Bununla birlikte, reaksiyon katsayısı burada hesaplanan konsantrasyonlarla yaklaşık olarak tahmin edilebilen iyon aktiviteleri açısından tanımlandığından, bu değer sadece yaklaşıktır.

Nernst denklemi, hücreler ve organellerin elektriksel etkilerini anlamada önemli bir rol oynar. Bu etkiler arasında sinir sinapsları ve kalp atımının yanı sıra somatik bir hücrenin dinlenme potansiyeli bulunur.