넌스트 방정식

넌스트 방정식은 전기화학의 두 가지 중심 방정식 중 하나입니다. 이 방정식은 전극의 전위가 화학 환경에 미치는 의존성을 설명합니다.

좀 더 정확하게 말하면 넌스트 방정식은 전극이 산화 및 환원 종의 활성을 가진 산화 환원 활성 종을 포함하는 용액으로 둘러싸여 있을 때 전극의 전위가 얼마인지를 알려줍니다.

넌스트 방정식의 전체식은 다음과 같습니다:

넌스트 방정식의 E, Z, R, F, Q는 무엇인가요?

전위는 E이고 환원 및 산화 종의 활성은 _aOx 및 _{aRed입니다}. 방정식의 나머지 파라미터는 보편 기체 상수 R, 온도 T, 패러데이 상수 F, 산화 반응의 표준 전위 Ox에서 적색 ^E0으로의 전위, 분자당 전이된 전자 수 z입니다.

넌스트 방정식

넌스트 방정식은 산화 및 환원 종의 활성을 가진 산화 환원 활성 종을 포함하는 용액으로 전극이 둘러싸여 있을 때 전극의 전위가 얼마인지 알려줍니다.

간소화된 버전을 사용하는 것이 더 일반적입니다:

새로운 파라미터로 활성 계수의 영향을 포함하는 공식 전위 ^E0′이 도입되었습니다.

전기화학자는 이 방정식이 두 가지 방식으로 작동한다는 것을 이해하는 것이 중요합니다. 전극의 전위가 변경되면 전극과 접촉하는 용액이 넌스트 방정식으로 표시된 활성 종의 농도 비율을 가져야 합니다. 이를 달성하려면 전극에서 전기 화학 반응이 일어나야 합니다.

Nernst 방정식의 일반적인 용도

넌스트 방정식의 일반적인 용도는 서로 다른 두 원소의 전위를 계산한 다음 두 원소 간의 차이를 계산하여 셀 전체의 전위를 예측하는 것입니다.

예를 들어 배터리를 구성하는 경우 넌스트 방정식을 사용하여 두 반쪽 사이의 전압을 예측할 수 있습니다.

예시입니다: 예: 넌스트 방정식을 사용하여 배터리 전압 예측하기

이 예제에서 숫자를 포함하기 위해 Nernst 방정식을 사용하여 즉석 배터리의 전압을 예측할 수 있습니다. 선반에는 1M CuSO4 용액과 구리선이 있습니다. 찬장에는 0.5M FeCl3와 0.5M FeCl2가 들어 있는 용액이 있습니다.

1. 1. 1. 배터리를 만들기 위해 두 개의 비커를 가져다가 그중 하나에는 철 용액을, 다른 하나에는 구리 용액을 붓습니다. 구리 용액에 구리선을 담급니다. 연필을 가지고 나무를 잘라 흑연 막대를 드러냅니다. 흑연이 철 용액에 담깁니다.
         
      2. 회로를 만들기 위해 흑연 막대와 구리선을 전원을 공급하고자 하는 대상에 연결합니다. 회로를 닫으려면 전도성 용액(소금물)을 적신 종이를 양쪽 비커 사이의 다리로 사용하여 양쪽 끝을 용액에 담급니다.

         

      3. 배터리의 전압을 찾으려면 두 요소 사이의 전위차를 계산해야 합니다. 철 원소는 쉬울 것입니다.

         흑연 자체는 많은 양의 이온을 방출하지 않으므로 Fe(II) 및 Fe(III) 표준 전위를 살펴보기만 하면 됩니다. 위키백과에 따르면 이 값은 770mV입니다.

      4. 공식 전위 ^E0′는 표준 전위 ^E0에 가까운 경우가 많습니다. 산화되는 종은 Fe(III)와 환원된 Fe(II)입니다. 전극의 전위를 계산하는 동안 즐거운 놀라움이 있습니다:

         

         1의 비율은 로그 1, 즉 0이 되므로 넌스트 방정식의 복잡한 부분은 0에 불과합니다. Wikipedia에 따르면 구리로 환원되는 구리(II)의 표준 전위는 337mV입니다. 구리선은 환원된 종입니다. 고체의 활성은 1입니다:

         

      5. 이제 배터리의 전위를 계산할 수 있습니다:

         

         그리고 배터리의 최대 전압이 433mV라는 결과를 통해 구리 철 이온 배터리를 사용하지 않는 이유를 알 수 있습니다.

   왜 최대 전압인가요?
   여기서 왜 최대 전압을 언급했을까요? 두 원소가 연결되면 더 음극적인 전위를 가진 전극(^Cu/Cu2+ 337mV)에서 더 양극적인 전위를 가진 전극 (^Fe2+/Fe3+ 770mV)로 전자가 흐르게 됩니다.

   ^Cu/Cu2+ 쪽에서 더 많은 전자가 빠져나가면 더 많은 Cu가 전자를 대체하기 위해 ^Cu2+로 산화되어 전자를 공급하게 됩니다. ^Fe2+/Fe3+ 쪽에 도착한 전자는 ^{Fe3+를 Fe2+로} 바꿉니다. 넌스트 방정식에 따르면, ^Cu2+ 농도가 증가하면 ^Cu/Cu2+ 쪽의 전위가 더 양극적인 값으로 이동합니다.

   ^Fe3+ 농도가 감소하고 ^Fe2+ 농도가 증가하면 ^Fe2+/Fe3+ 쪽의 전위가 더 음극적인 값으로 이동합니다. 전자가 전달될 때마다 배터리의 전압은 점점 낮아집니다.

   골드만-호지킨 방정식

   고전적인 전기화학에서는 일반적으로 넌스트 방정식을 사용하지만, 세포막 생리학에서는 세포막을 가로지르는 전위에 대해 골드만-호지킨-카츠 방정식을 사용합니다.

   이 방정식은 세포막 내부와 외부의 각 하전 이온에 대한 선택성과 농도를 고려하면서 RedOx 활성 종을 보는 것이 아니라 막으로 인한 전하 분리를 고려합니다.

   넌스트 방정식

   넌스트 방정식은 전기화학에서 많이 사용되는 방정식으로, 전극이 산화 및 환원 종의 활성을 가진 산화 환원 활성 종을 포함하는 용액으로 둘러싸여 있을 때 전극의 전위가 무엇인지 알려주는 방정식입니다.

   전위차계에 대한 자세한 정보

   자세한 내용은 이 문서에서 확인할 수 있습니다.