La Ecuación de Nernst

Una celda galvánica de zinc-cobre en condiciones estándar tiene un potencial de celda de 1, 10 voltios y un valor de ΔG de 212 kilojulios, lo que indica que funciona espontáneamente. Sin embargo, a medida que la concentración del reactivo cambia durante la descarga de la célula, conduce a una disminución gradual del potencial de celda hasta que la reacción se detiene por completo. Condiciones como estas se denominan no estándar.

Aquí, los valores estándar establecidos del potencial de celda, energía libre de Gibbs, y la constante de equilibrio ya no son válidos. Las condiciones no estándar prevalecen en muchas reacciones que van desde reacciones redox hasta gradientes de iones en las membranas neuronales. Pero, cómo se determina un potencial de celda exacto en tales sistemas?

Si la concentración de un reactivo es mayor, y la concentración de un producto es menor en comparación con las condiciones estándar, entonces se utiliza el Principio de Le Châtelier para determinar cualitativamente la dirección de la reacción. Sin embargo, no se puede utilizar para cuantificar el potencial de celda desviado. Por lo tanto, esto requiere establecer una relación entre los potenciales de celda para las celdas en condiciones estándar y no estándar.

Recuerde que los cambios de energía libre en condiciones estándar y no estándar están relacionados. La sustitución de la ecuación de cambio de energía libre con el potencial de celda da como resultado una ecuación modificada conocida como ecuación de Nernst. La ecuación de Nernst determina cómo el potencial de celda difiere de su valor estándar según el el número de electrones transferidos, la temperatura y la composición de la reacción.

El cociente de reacción Q, representa el cambio en la energía libre debido a la diferencia en la composición de las mezclas de reacción. Si los reactivos son sólidos, Q se omite. En condiciones de estado estándar, el valor de Q es la unidad y la concentración de reactivos y productos es igual.

El logaritmo de uno es cero, por lo que el potencial de celda es igual al potencial de celda estándar. Un valor de Q menor que uno indica una mayor concentración de reactivos en comparación con los productos, lo que desplaza el equilibrio hacia la derecha, aumentando el potencial de celda. Un valor de Q mayor que uno indica una mayor concentración de producto a reactivo, lo que lleva la reacción hacia la izquierda y reduce el potencial de celda.

En el equilibrio, el valor de Q es igual a K, y el potencial de la celda se vuelve cero. La ecuación de Nernst explica por qué las baterías electroquímicas mueren"después de la descarga:a medida que disminuye la concentración de reactivo, la celda se acerca a las condiciones de equilibrio y su potencial disminuye a cero.