Persamaan Nernst

Potret ilmuwan Jerman Walther Nernst pada tahun 1910-an.

Dalam elektrokimia, persamaan Nernst adalah suatu persamaan yang menghubungkan potensial reduksi dari suatu reaksi elektrokimia (reaksi setengah-sel atau sel penuh) dengan potensial elektrode standar, suhu, dan aktivitas (terkadang didekati dengan konsentrasi) dari spesi kimia yang mengalami reduksi dan oksidasi. Persamaan ini merupakan persamaan yang paling penting di bidang elektrokimia. Persamaan ini dinamai dari Walther Nernst, seorang kimiawan fisik asal Jerman yang merumuskan persamaan ini.

Ekspresi

Persamaan Nernst diturunkan dari perubahan energi bebas Gibbs standar yang terkait dengan perubahan elektrokimia. Untuk semua reaksi reduksi elektrokimia memiliki bentuk

Ox + z e⁻ → Red

termodinamika standar menyatakan bahwa perubahan energi bebas yang sebenarnya, ΔG berhubungan dengan perubahan energi bebas dalam keadaan standar ΔG^o melalui persamaan

$\Delta G=\Delta G^{\ominus }+RT\ln Q,$

yang dalam persamaan di atas, Q adalah hasil bagi reaksi. Potensial elektrokimiawi E yang terkait dengan reaksi elektrokimia didefinisikan sebagai berkurangnya energi bebas Gibbs per coulomb muatan yang dipindahkan, yang mengarah pada persamaan

$\Delta G=-zFE.$

Konstanta F (konstanta Faraday) adalah faktor konversi satuan F = N_Aq, dengan N_A merupakan bilangan Avogadro dan q adalah muatan elektron dasar. Persamaan ini kemudian mengarah pada persamaan Nernst.

Persamaan Nernst untuk reaksi setengah-sel elektrokimia adalah

$E_{\text{red}}=E_{\text{red}}^{\ominus }-{\frac {RT}{zF}}\ln Q=E_{\text{red}}^{\ominus }-{\frac {RT}{zF}}\ln {\frac {a_{\text{Red}}}{a_{\text{Ox}}}}.$

Untuk keseluruhan reaksi elektrokimia (sel penuh), persamaan ini dapat ditulis sebagai

$E_{\text{cell}}=E_{\text{cell}}^{\ominus }-{\frac {RT}{zF}}\ln Q_{r},$    (potensial sel total)

yang dalam persamaan di atas,

E_red adalah potensial reduksi setengah-sel pada suhu yang diinginkan,

Eored adalah potensial reduksi setengah-sel standar,

E_cell adalah potensial listrik (gaya gerak listrik) pada suhu yang diinginkan,

Eocell adalah potensial sel standar,

R adalah konstanta gas universal: R = 8,314472(15) J K⁻¹ mol⁻¹,

T adalah suhu dalam kelvins,

a adalah aktivitas kimia untuk spesi terkait, dengan a_Red adalah aktivitas bentuk tereduksi dan a_Ox adalah aktivitas bentuk teroksidasi. Serupa dengan konstanta kesetimbangan, aktvitas selalu diukur dalam keadaan standar (1 mol/L untuk zat terlarut, 1 atm untuk gas). Aktivitas spesi x, a_X, dapat dikaitkan dengan konsentrasi fisiknya c_X melalui persamaan a_X = γ_Xc_X, dengan γ_X adalah koefisien aktivitas spesi X. Karena koefisien aktivitas cenderung menyatu pada suhu rendah, aktivitas dalam persamaan Nernst terkadang digantikan dengan konsentrasi sederhana.

F adalah konstanta Faraday, jumlah coulomb per mol elektron: F = 9,64853399(24)×10⁴ C mol⁻¹,

z adalah jumlah elektron yang dipindahkan dari reaksi sel atau reaksi setengah-sel,

Q_r adalah hasil bagi reaksi sel.

Pada suhu ruangan (25 °C), RTF dapat dianggap konstan dan digantikan dengan 25.693 mV untuk sel.

Persamaan Nernst terkadang dinyatakan dalam logaritma basis-10 (yaitu, logaritma umum) daripada logaritma natural, dalam hal ini sering dituliskan, untuk suatu sel pada suhu 25 °C:

$E=E^{0}+{\frac {0.059\;{\text{V}}}{z}}\log _{10}{\frac {a_{\text{Ox}}}{a_{\text{Red}}}}.$

Persamaan Nernst digunakan dalam fisiologi untuk menemukan potensial listrik dari suatu membran sel terhadap satu jenis ion.

Lihat pula

• Sel konsentrasi
• Potensial reduksi
• Sel Galvani
• Jembatan garam
• Persamaan Goldman
• Potensial membran
• Persamaan Nernst–Planck
• Elektron terlarut

Daftar pustaka

• Crow, D.R. (1994). Principles and Applications of Electrochemistry (dalam bahasa Inggris) (edisi ke-4). Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 0-748-74378-2. 
• Ebbing, Darrell D.; Gammon, Steven D. (2007). General Chemistry (dalam bahasa Inggris). ISBN 0-618-73879-7. 
• Nobel Lectures in Chemistry (dalam bahasa Inggris). Volume 1. World Scientific. 1999. ISBN 981-02-3405-8. 
• Oxtoby, David W.; Gillis, H. Pat; Butler, Laurie J. (2015). Principles of Modern Chemistry (dalam bahasa Inggris) (edisi ke-8). Belmont: Cengage Learning. ISBN 1-305-46509-1. 
• Swaddle, Thomas Wilson (1997). Inorganic Chemistry: An Industrial and Environmental Perspective (dalam bahasa Inggris). Academic Press. ISBN 0-12-678550-3. 
• Wiberg, Egon; Wiberg, Nils; Holleman, Arnold Frederick (2001). Inorganic Chemistry (dalam bahasa Inggris). Academic Press. ISBN 0-12-352651-5. 

Pranala luar

• (Inggris) Nernst/Goldman Simulator Persamaan Diarsipkan 2010-08-08 di Wayback Machine.
• (Inggris) Kalkulator Persamaan Nernst
• (Inggris) Interactive Nernst/Goldman Java Applet
• (Inggris) DoITPoMS Teaching and Learning Package- "The Nernst Equation and Pourbaix Diagrams"