内斯特方程

奈氏方程是电化学中两个核心方程之一。它描述了电极电位与其化学环境的关系。

用更精确的话来说，就是当电极周围是含有氧化还原活性物质的溶液时，内斯特方程告诉我们电极的电位是多少。完整的恩斯特方程为

奈氏方程中的 E、Z、R、F 和 Q 分别是什么？

电势为 E，还原和氧化物种的活度分别为_aOx和_aRed。等式中的其余参数包括通用气体常数 R、温度 T、法拉第常数 F、从 Ox 到 Red 反应的标准电势^E0 以及每个分子转移的电子数 z。

内斯特方程: 内斯特方程告诉我们，当电极周围是含有氧化还原活性物质的溶液时，电极的电位是多少。

使用简化版更为常见：

作为一个新参数，引入了形式电势^E0′，其中包括活动系数的影响。

电化学家必须明白，该方程有两种作用方式。如果电极的电位发生变化，与电极接触的溶液需要具有奈氏方程所示的活性物种浓度比。要实现这一目标，需要在电极上发生电化学反应。

内斯特方程的典型应用

内斯特方程的典型用途是计算两种不同元素的电位，然后计算这些元素之间的差值，以预测跨细胞的电位。

例如，如果要建造一个电池，可以使用 Nernst 方程来预测两半电池之间的电压。

举例说明使用 Nernst 方程预测电池电压

为了在示例中加入数字，我们可以使用奈氏方程来预测简易电池的电压。在架子上，我们可以找到 1 M CuSO4 溶液和一些铜线。柜子里有 0.5 M FeCl3 和 0.5 M FeCl2 溶液。

1. 1. 要制作电池，我们需要两个烧杯，将铁溶液倒入其中一个烧杯，将铜溶液倒入另一个烧杯。我们将铜线浸入铜溶液中。我们用铅笔削去木头，露出石墨棒。将石墨浸入铁溶液中。
  2. 为了形成电路，将石墨棒和铜线连接到需要供电的地方。为了闭合电路，在两个烧杯之间用一张沾有导电溶液（盐水）的纸作为桥梁，纸的两端分别放入溶液中。
    
    图 1 | 简易电池
  3. 要找到电池的电压，我们需要计算两个元件之间的电位差。铁元素很容易计算。
    石墨本身不会释放大量离子，因此我们只需查看铁（II）和铁（III）的标准电位。根据维基百科，标准电势为 770 mV。
  4. 通常，形式电位^E0′接近标准电位^E0。氧化物为 Fe(III)，还原物为 Fe(II)。在计算电极电位时，有一个惊喜：
    
    根据维基百科，铜（II）还原成铜的标准电位为 337 mV。铜丝是被还原的物质。固体的活度为 1：
  5. 现在我们可以计算电池的电势了：
    
    由于电池的最大电压为 433 mV，我们明白了为什么不使用铜铁离子电池。
为什么是最高电压？
为什么我在这里提到最大电压？当两个元素相连时，电子将从阴极电位较高的元素（Cu/^Cu2+ 337 mV）流向阳极电位较高的元素（Fe2+/^Fe3+ 770 mV）。

当^Cu/Cu2+一侧缺少更多电子时，更多的 Cu 会变成^Cu2+以取代电子。到达^Fe2+/Fe3+侧的电子会将^Fe3+转变为^Fe2+。根据 Nernst 方程，^Cu2+ 浓度的增加会使^Cu/Cu2+侧的电位向更高的阳极值移动。

而随着^Fe3+浓度的降低和^Fe2+浓度的增加，Fe2+^/Fe3+ 侧的电位会向更高的阴极值移动。每转移一个电子，电池的电压就会降低。

戈德曼-霍奇金方程

在经典电化学中，通常使用 Nernst 方程，而在细胞膜生理学中，跨细胞膜的电位则使用 Goldman-Hodgkin-Katz 方程。

该方程式并不考虑 RedOx 活性物种，而是考虑由于膜造成的电荷分离，同时考虑到细胞膜内外每种带电离子的选择性和浓度。

能斯特方程

该方程告诉我们，当电极周围的溶液中含有氧化还原物种时，电极的电位是多少。

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