L'equazione di Nernst, dal nome del chimico tedesco Walther Nernst, è un'equazione che mette in relazione il potenziale di riduzione standard di una reazione elettrochimica con la concentrazione, la pressione e la temperatura di una specie chimica che viene ridotta e ossidata in condizioni di non equilibrio. È l'equazione più importante nel campo dell'elettrochimica.
L'equazione 5 mostra la forma generale dell'equazione di Nernst. In questo articolo utilizzeremo l'equazione di Nernst per analizzare i ruoli dell'idrogeno gassoso e del pH 5 per prevedere quanto ciascuno di essi influenza la misurazione dell'ORP. Prima di poter utilizzare l'equazione di Nernst per prevedere i valori ORP dell'acqua con idrogeno disciolto, dobbiamo modificare leggermente la sua forma generale.
Poiché il potenziale cellulare standard per l'idrogeno è E0 = 0 (vedi Tabella 1), possiamo eliminare questa espressione. Sostituiremo anche i termini “[rosso]” e “[bue]” rispettivamente con le forme ridotta e ossidata dell'idrogeno H2 e H+.
La forma finale dell'equazione di Nernst che useremo è mostrata nell'Equazione 6:
Poiché l’acqua idrogenata che abbiamo misurato non esiste in condizioni standard, l’equazione di Nernst ci consente di sostituire qualsiasi valore di concentrazione, pressione e temperatura che scegliamo e di prevedere il potenziale redox in condizioni non standard.
Utilizzando l'equazione di Nernst, possiamo sperimentare diversi valori per H2 e H+ e analizzare il loro effetto previsto sull'ORP. Di seguito sono riportate le definizioni dei termini e dei valori utilizzati nell'equazione di Nernst:
- Emv, potenziale di Nernst in millivolt (ORP);
- E0, potenziale cella standard, 0,00 V;
- R, costante universale dei gas, 8,314 JK-1mol-1
- T, temperatura, 298,150 K (25 °C/77 °F);
- z, # numero di elettroni trasferiti nella reazione, 2;
- F, costante di Faraday, 96485,33 Cmol-1 (carica dell'elettrone per mole)
- [H2], concentrazione di gas idrogeno (a pressione parziale, pH2);
- [H+], concentrazione di ioni idrogeno (derivata dal pH).
I valori ORP previsti dall'equazione di Nernst sono calcolati in condizioni ideali. Mentre le misurazioni effettive sul campo dell'ORP variano in base a una serie di fattori, le relazioni tra pH, H2 e ORP rimangono le stesse.
Per automatizzare il calcolo del potenziale redox previsto in diversi scenari di temperatura/H2/pH, l'equazione di Nernst è stata programmata in una calcolatrice (utilizzando MS-Excel/VBA).
I risultati calcolati per ciascuno scenario sono stati quindi utilizzati per creare la tabella dei dati di H2, pH e redox (con coppie ordinate per xey) necessaria per tracciare i vari grafici utilizzati in questo articolo.
La Figura 4 mostra l'interfaccia utente del calcolatore Nernst, che mostra non solo il potenziale redox previsto, ma anche la maggior parte dei risultati intermedi:
Sebbene non sia nostro obiettivo discutere l'equazione di Nernst in dettaglio, uno sguardo più attento all'equazione 6 ci fornirà informazioni importanti sul calcolo dell'ORP. La Figura 5 mostra le due specie dell'equazione di Nernst che formano la nostra "coppia redox di interesse":
Come abbiamo discusso in precedenza, queste due forme di idrogeno (forma ossidata e ridotta) rappresentano le due specie nell'acqua le cui concentrazioni contribuiscono al potenziale redox dell'acqua. Mentre l’acqua normalmente contiene diverse coppie redox i cui potenziali redox insieme formano l’ORP totale, nella nostra analisi consideriamo solo la coppia redox H+/H2. L'espressione “[H2]” rappresenta la concentrazione di idrogeno gassoso disciolto (espresso come pressione parziale, pH2) e l'espressione “[H+]” rappresenta la concentrazione di ioni idrogeno (che calcoliamo dal pH dell'acqua).
Pertanto, la lettura dell'ORP non dipende solo dalla concentrazione dell'idrogeno gassoso disciolto, ma dalle concentrazioni sia di H2 che di H+.
Come vedremo, ciascuna di queste specie contribuisce alla misurazione dell'ORP. Poiché abbiamo visto che l’H2 risolto è responsabile dell’ORP negativo, ciò implica una relazione tra i due e solleva alcune domande:
- Quanto H2 disciolto è necessario per produrre un ORP negativo?
- Con quanta forza l'ORP risponde ai cambiamenti nella concentrazione di H2?
- Possiamo utilizzare il valore ORP per misurare il contenuto di H2 disciolto?
- Possiamo utilizzare le misurazioni dell'ORP di due campioni diversi per confrontare le relative concentrazioni di H2 disciolto?
L'equazione di Nernst ci aiuterà a rispondere a queste domande perché ci consente di analizzare come i cambiamenti di H+ e H2 influenzano la misurazione dell'ORP.
Estratto dal libro di Randy Sharpe: "La relazione tra H2 disciolto, pH e potenziale redox"
