4 Fragen zu Nernst

Die Nernst-Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen der Elektrodenpotentialdifferenz und den Konzentrationen der Reaktanten und Produkte in einer elektrochemischen Reaktion. Sie ist besonders relevant für Redoxreaktionen, bei denen Elektronen zwischen Oxidations- und Reduktionsmitteln übertragen werden. In einer Redoxreaktion wird ein Stoff oxidiert (gibt Elektronen ab) und ein anderer Stoff wird reduziert (nimmt Elektronen auf). Die Nernst-Gleichung ermöglicht es, das Gleichgewichtspotential einer solchen Reaktion zu berechnen, indem sie die Konzentrationen der oxidierten und reduzierten Formen berücksichtigt. Die allgemeine Form der Nernst-Gleichung lautet: \[ E = E^0 - \frac{RT}{nF} \ln Q \] Hierbei ist: - \( E \) das Elektrodenpotential, - \( E^0 \) das Standardpotential, - \( R \) die universelle Gaskonstante, - \( T \) die Temperatur in Kelvin, - \( n \) die Anzahl der übertragenen Elektronen, - \( F \) die Faraday-Konstante, - \( Q \) das Reaktionsquotient, das die Konzentrationen der Produkte und Reaktanten beschreibt. Durch die Anwendung der Nernst-Gleichung kann man vorhersagen, wie sich das Potential einer Redoxreaktion ändert, wenn sich die Konzentrationen der Reaktanten und Produkte ändern, was für das Verständnis von elektrochemischen Zellen und deren Funktionsweise entscheidend ist.

Die -61 mV in der Nernst-Gleichung ergeben sich aus der Berechnung des Gleichgewichtspotentials für Kaliumionen (K⁺) in einer biologischen Zelle. Die Nernst-Gleichung lautet: \[ E = \frac{RT}{zF} \ln \left( \frac{[ion]_{außen}}{[ion]_{innen}} \right) \] Dabei ist: - \( E \) das Gleichgewichtspotential, - \( R \) die universelle Gaskonstante (8,314 J/(mol·K)), - \( T \) die Temperatur in Kelvin, - \( z \) die Valenz des Ions (für K⁺ ist z = +1), - \( F \) die Faraday-Konstante (96485 C/mol), - \([ion]_{außen}\) die Konzentration des Ions außerhalb der Zelle, - \([ion]_{innen}\) die Konzentration des Ions innerhalb der Zelle. Bei physiologischen Bedingungen (z.B. 37 °C oder 310 K) und für Kaliumionen ergibt sich bei typischen Konzentrationen (z.B. 5 mM außen und 140 mM innen) ein Wert von etwa -61 mV. Dies ist das Gleichgewichtspotential, bei dem die chemischen und elektrischen Kräfte im Gleichgewicht sind.

Die Nernst-Gleichung in ihrer allgemeinen Form lautet: \[ E = E^0 - \frac{RT}{nF} \ln Q \] Um diese Gleichung in eine Form mit dem dekadischen Logarithmus (log10) umzuwandeln, kann man den natürlichen Logarithmus (ln) in den dekadischen Logarithmus (log) umrechnen. Dazu verwendet man die Beziehung: \[ \ln x = 2.303 \log x \] Die umgewandelte Nernst-Gleichung lautet dann: \[ E = E^0 - \frac{RT}{nF} \cdot 2.303 \log Q \] Dies kann weiter vereinfacht werden zu: \[ E = E^0 - \frac{2.303 RT}{nF} \log Q \] Falls die Temperatur \( T \) in Kelvin und die Konstanten \( R \) (Gaskonstante) und \( F \) (Faraday-Konstante) eingesetzt werden, kann die Gleichung bei Standardbedingungen (298 K) weiter vereinfacht werden. Bei 298 K ist: \[ \frac{2.303 RT}{F} \approx 0.0591 \] Daher lautet die Nernst-Gleichung bei 298 K: \[ E = E^0 - \frac{0.0591}{n} \log Q \] Diese Form der Nernst-Gleichung verwendet den dekadischen Logarithmus und ist besonders nützlich für praktische Anwendungen in der Elektrochemie.

Die Nernst-Gleichung beschreibt das Gleichgewichtspotential einer Ionensorte in Abhängigkeit von der Ionenkonzentration auf beiden Seiten einer Membran. Die allgemeine Form der Nernst-Gleichung lautet: \[ E = \frac{RT}{zF} \ln \left( \frac{[Ion]_{außen}}{[Ion]_{innen}} \right) \] Hierbei stehen: - \( E \) für das Gleichgewichtspotential, - \( R \) für die universelle Gaskonstante (8,314 J/(mol·K)), - \( T \) für die Temperatur in Kelvin, - \( z \) für die Ladungszahl des Ions, - \( F \) für die Faraday-Konstante (96485 C/mol), - \([Ion]_{außen}\) und \([Ion]_{innen}\) für die Ionenkonzentrationen außen und innen. Um die Gleichung umzustellen, können verschiedene Variablen isoliert werden. Zum Beispiel, um die Ionenkonzentration innen (\([Ion]_{innen}\)) zu isolieren, kann die Gleichung wie folgt umgestellt werden: 1. Multipliziere beide Seiten der Gleichung mit \( \frac{zF}{RT} \): \[ \frac{zF}{RT} E = \ln \left( \frac{[Ion]_{außen}}{[Ion]_{innen}} \right) \] 2. Wende die Exponentialfunktion auf beide Seiten an, um den Logarithmus zu eliminieren: \[ e^{\frac{zF}{RT} E} = \frac{[Ion]_{außen}}{[Ion]_{innen}} \] 3. Multipliziere beide Seiten der Gleichung mit \([Ion]_{innen}\): \[ [Ion]_{innen} \cdot e^{\frac{zF}{RT} E} = [Ion]_{außen} \] 4. Teile beide Seiten der Gleichung durch \( e^{\frac{zF}{RT} E} \): \[ [Ion]_{innen} = \frac{[Ion]_{außen}}{e^{\frac{zF}{RT} E}} \] Das ist die umgestellte Form der Nernst-Gleichung, die die innere Ionenkonzentration in Abhängigkeit von der äußeren Ionenkonzentration und dem Gleichgewichtspotential beschreibt.