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18.6:

ネルンスト式

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Chemistry
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The Nernst Equation

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A zinc-copper galvanic cell at standard conditions has a cell potential of +1.10 V and a ΔG value of −212 kJ, indicating that it operates spontaneously. However, as the reactant’s concentration changes during the cell’s discharge, it leads to a gradual decrease of cell potential until the reaction stops completely.  Conditions like these are called nonstandard. Here, the established standard values of cell potential, Gibbs free energy, and the equilibrium constant are no longer valid. Nonstandard conditions are prevalent in many reactions ranging from redox reactions to ion gradients in neuronal membranes. But how is an accurate cell potential determined in such systems? If the concentration of a reactant is greater, and the concentration of a product is smaller compared to standard conditions, then Le Châtelier’s Principle is used to determine the reaction’s direction qualitatively; however, it cannot be used for quantifying the deviating cell potential. Thus, this necessitates establishing a relationship between the cell potentials for cells under standard and nonstandard conditions. Recall that the free energy changes under standard and nonstandard conditions are related.  Substituting the equation of change in free energy with the cell potential results in a modified equation known as the Nernst equation. The Nernst equation determines how the cell potential differs from its standard value depending on the number of electrons transferred, temperature, and reaction composition.  The reaction quotient, Q, accounts for the change in free energy due to the difference in the reaction mixtures’ composition. If reactants are solid, Q is omitted. Under standard state conditions, the value of Q is unity and the concentration of reactants and products is equal. The logarithm of one is zero, so the cell potential equals the standard cell potential.  A Q value less than one indicates a higher concentration of reactants compared to products, which shifts the equilibrium to the right, increasing the cell potential.  A Q value greater than one indicates a higher product to reactant concentration, driving the reaction to the left and lowering the cell potential. At equilibrium, the Q value is equal to K, and the cell potential becomes zero.  The Nernst equation explains why electrochemical batteries “die” post-discharge: as the reactant concentration decreases, the cell approaches equilibrium conditions and its potential decreases to zero

18.6:

ネルンスト式

標準条件外における反応

標準電極電位と、標準自由エネルギー変化 ΔG°や平衡定数Kなどの様々な熱力学的パラメータとの相互関係については、これまでにも検討してきた。例えば、Eºcell = +0.291 V, ΔG°= −56.2 kJとなる1 mol/Lの亜鉛(II)イオンとスズ(II)イオンの酸化還元反応は自発的に起こります。

Eq1

しかし、この電池を放電させると、反応物の濃度が変化し、電池の電極電位が徐々に低下します。しかし、電極電位と熱力学パラメータとの関係は、濃度、温度、圧力が標準化された状態(すなわち、濃度1 mol/L、298Kまたは25℃、圧力1気圧)でのみ成立するため、容易には相互変換できません。しかし、科学的に重要な酸化還元反応の多くは、ガルバニ電池内の異なる反応物濃度や、生体膜に生じる濃度勾配など、標準化されていない状態で起こります。そのため、このような系の電位を計算することは重要です。

Eq2

反応中の亜鉛イオンの濃度が標準状態に比べて低く、スズイオンの濃度が高い場合、酸化還元反応の自発性はル・シャトリエの原理によって定性的に予測できます。反応物に対する生成物の濃度が高ければ、反応は生成物に有利な方向に進む。その結果、Ecellの値がE°cellの値よりも高くなります。

Eq3

この反応は順方向に進むが、この電極電位の定量的な値は簡単にはわかりません。

非標準条件で起こる酸化還元反応に対するネルンスト式の導出

EcellE°cellの値の関係は、標準状態と非標準状態での自由エネルギー変化の間で成り立つ関係から導き出すことができ、次のように与えられます。

Eq4

ΔGは自由エネルギー変化、ΔG°は自由エネルギーの標準変化、Rは気体定数(8.314 J/molK)、Qは反応商で、反応混合物’の組成の違いによる自由エネルギーの変化を考慮したものです。反応物が固体の場合、Q値は省略されます。

自由エネルギーの変化と電極電位の関係式を代入すると、ネルンスト式と呼ばれる修正式が得られます。

Eq5

ネルンスト方程式は、非標準条件下における酸化還元系(ガルバニ電池など)の変化した電位を表します。この方程式は、酸化還元反応中に移動した電子の数n、絶対温度T、およびQとして与えられた反応混合物の組成に依存します。

実用的なネルンスト式の簡略化された形は、基本的な定数(RF)の値と、自然対数から常用対数へと変換する係数が含まれているものです。

Eq6

標準状態では、反応商Qの値は1であり、その対数は0です。これは、標準状態の条件では、反応物と生成物の濃度が等しいためです。この場合、EcellE°cellと等しいです。Qの値が1より小さい場合は、反応物の濃度が高いために反応平衡が右にシフトし、その結果、電極電位の値が高くなります。Qの値が1より大きい場合は、生成物の濃度が高いために反応が左に移動し、電極の電位の値が低くなります。平衡状態では、Q値がKに等しく、電池としての電極電位はゼロになり、反応はどちらの方向にも進まません。これは、電池の連続放電で電池が切れる理由を説明しています。反応物の濃度が低下することで、反応が平衡状態に向かい、電池の電位が徐々にゼロになっていくからです。

上記の文章は以下から引用しました。 Openstax, Chemistry 2e, Section 17.4: Potential, Free Energy, and Equilibrium.