In questa lezione spieghiamo l’equazione di Nernst in modo semplice e con alcuni esercizi svolti.
L’equazione di Nernst rientra tra gli argomenti di elettrochimica e fa parte sia del programma di chimica delle scuole superiori sia di quello dei test di medicina e odontoiatria, veterinaria e professioni sanitarie.
A seguire trovi la formula dell’equazione di Nernst e la videolezione con gli esercizi sull’equazione di Nernst svolti dal nostro tutor e docente WAU!.
Equazione di Nernst: cosa dice
L’equazione di Nernst, che prende il nome dal chimico tedesco W. Nernst, viene applicata in elettrochimica nello studio di pile, elettrodi, semielementi.
Cosa dice l’equazione di Nernst? L’equazione di Nernst esprime la relazione che c’è tra il potenziale di riduzione, il potenziale di riduzione standard e le concentrazioni di reagenti e prodotti in condizioni non standard.
In chimica, il potenziale di riduzione misura la tendenza di una soluzione redox a essere ridotta, cioè ad acquisire elettroni.
Le condizioni standard sono:
- temperatura 25 °C;
- concentrazione 1 M.
A cosa serve l’equazione di Nernst
L’equazione di Nernst viene usata in chimica per calcolare il potenziale di riduzione quando le condizioni non sono standard.
Quindi, quando si applica l’equazione di Nernst? Quando temperatura e concentrazioni sono diverse da quelle standard.
Infatti, dispositivi come pile ed elettrodi generano una forza elettromotrice che è influenzata dalla concentrazione delle soluzioni ioniche e dalla temperatura a cui il dispositivo lavora.
Equazione di Nernst: formula
La formula dell’equazione di Nernst è:
E = E0 – (RT/nF) ∙ ln [red]n/[ox]m
Dove:
- E0 = potenziale di riduzione standard quando T = 25 °C; concentrazione della soluzione 1 M, P = 1 atm;
- R = costante universale dei gas perfetti il cui valore è 8,314 J ∙ mol-1 ∙ K-1 oppure 0,082 L ∙ atm ∙ mol-1 ∙ K-1;
- T = temperatura assoluta espressa in Kelvin;
- n = numero di moli di elettroni scambiati durante la semireazione;
- F = costante di Faraday il cui valore è 96485,309 C/mol (Coulomb);
- ln = logaritmo naturale
- [red] = concentrazione della specie ridotta, quella che si trova a destra della freccia nella semireazione redox e che perde elettroni;
- [ox] = concentrazione della specie ossidata, quella che si trova a sinistra della freccia nelle semireazione redox e che acquista elettroni;
- n = coefficiente stechiometrico di [red]
- m = coefficiente stechiometrico di [ox]
Leggi anche come fare il bilanciamento di una reazione redox e approfondisci la costante universale dei gas.
Equazione di Nernst a 25 °C
Cosa succede a 25 °C all’equazione di Nernst? A temperatura pari a 25 °C = 298,15 K, con soluzioni non troppo concentrate e prendendo in considerazione il fattore di conversione del logaritmo naturale in logaritmo decimale, otteniamo il coefficiente 0,5916. Per cui, l’equazione di Nernst diventa:
E = E0 – (0,05916/n) ∙ log [red]n/[ox]m
dove E = E0 se [red] = [ox] = 1 M
Esercizi equazione di Nernst
Ecco ora un esercizio sull’equazione di Nernst.
Calcolare il potenziale a 25° C di un elettrodo contenente gli ioni Fe2+ e Fe3+ rispettivamente in concentrazione 0,3 M e 0,1 M. Il potenziale standard di tale elettrodo è E0 = +0,77 V.
Entrambi gli ioni sono in soluzione acquosa. Quindi, è necessario immergere un elettrodo inerte.
1) Per prima cosa bisogna scrivere il processo redox. Poiché questa non è una pila ma è un elettrodo solo, non sappiamo se il processo sia di riduzione o di ossidazione. Il consiglio in questi casi è di considerare la riduzione, perché è il processo a cui viene data maggiore importanza in elettrochimica.
Fe3+ + 1e– → Fe2+
2) Poiché siamo a 25° C, possiamo usare la formula semplificata dell’equazione di Nernst:
E = E0 – (0,05916/n) ∙ log [red]n / [ox]m
3) Quindi, considerando che in base a quanto scritto nell’esercizio:
- E0 = +0,77 V
- n = 1 poiché l’elettrone scambiato è 1
- la concentrazione molare di Fe2+ e Fe3+ è 0,3 M e 0,1 M
l’equazione diventa:
E = +0,77 – (0,05916/1) ∙ log (0,3 / 0,1) = +0,74 V.
Il potenziale da 0,77 V è diventato 0,74 V.
Per capire meglio l’argomento, guarda la videolezione sull’equazione di Nernst con esercizi svolti dal nostro docente e tutor di chimica.
Video nel testo di Orlando Cialli, docente e tutor WAU!
Immagine in evidenza di PublicDomainPictures da Pixabay
