Potencial de Nernst
La Ecuación de Nernst, desarrollada por el químico y físico alemán Walther Hermann Nernst, es la relación cuantitativa que permite calcular la fuerza electromotriz de una pila, para concentraciones de iones diferentes de una unidad. También usado para cálculos en titulación de oxidación-reducción.
La variación de energía libre, ΔG, de cualquier reacción y variación de energía libre padrón, ΔG°, están relacionadas a través de la siguiente reacción:
Donde Q es la expresión de la ley de acción de las masas de la reacción. Para una reacción de óxido-reducción, tenemos que:
y
Así, para una reacción redox, tenemos:
− nFE = − nFE0 + RTlnQ
o
Siendo:
R = 8,315 J K-1 mol-1;
T = 298,2 K (25°C);
F = 96485 C mol-1
Substituyendo en la ecuación anterior los valores de R, T e P, tenemos:
Alternativamente, esta ecuación puede ser escrita en términos de logaritmo decimal:
En esa ecuación, el significado de sus componentes es el siguiente: Eº es la fuerza electromotriz o potencial normal de la pila correspondiente (que se obtiene a partir de los potenciales normales de los electrodos); R es la constante universal de los gases; T es la temperatura en escala absoluta; F es la carga eléctrica de un mol de electrones; n es el número de electrones transferidos; Q es el cociente de reacción. Ese cociente es el producto de las concentraciones de las especies activas del segundo miembro de la reacción de oxi-reducción, elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos (coeficientes que preceden las fórmulas en la ecuación química equilibrada), y su denominador es el producto análogo de las concentraciones de los reactivos.
Potenciales-estándar y constantes de equilibrio
Cuando un sistema alcanza el equilibrio, la energía libre de los productos es igual a la energía libre de los reactivos, o sea, ΔG = 0. Cuando este sistema pertenece a una célula galvánica, la célula no produce tensión, o sea, «E» de la célula es cero, pues no existe reacción produciéndose en ninguno de los sentidos. En el equilibrio, la expresión Q de la ley de acción de las masas pasa a ser igual a K. Siendo así, en estas condiciones, la ecuación de Nernst pasa a ser escrita como:
o
Que a 25°C, queda:
o
En cualquiera de estas formas, se hace posible calcular E0 desde K, o viceversa.
¿Y quién era Hermann Nernst…?
Físico y químico alemán de la Universidad de Berlín nacido en Briesen, entonces Prusia, que enunció la tercera ley de la termodinámica (1906) que le dio el Premio Nobel de Química (1920) y con sus trabajos ayudó a establecer la moderna físico-química. Hijo de un juez distrital, Gustav Nernst, fue educado en el Gymnasium de Graudentz, y estudió en las Universidades de Zurich, Berlín y Graz, donde estudió física y matemáticas con Ludwig Boltzmann y Albert von Ettinghausen. Después obtuvo el Ph.D. en Würzburg (1887), orientado por el físico Friedrich Kohlrausch. Luego de trabajar algún tiempo en Leipzig ejerció el cargo de profesor de física y química en las Universidades de Göttingen (1891-1905), donde fundó el Instituto de Química, Física y Electroquímica (1895), y de Berlín, donde también fue director del Instituto de Química Física de esa Universidad (1905-1925).
Fue nombrado presidente del Instituto Fisicotécnico de Berlín-Charlottenburg (1922-1933) y desde entonces se dedicó al estudio de la acústica y astrofísica. Trabajó en los campos de la electroquímica, termodinámica, química del estado sólido y fotoquímica. Investigó el calor específico de los sólidos y bajas temperaturas y la relación con la teoría quántica y también propuso la teoría de la reacción atómica en cadena en la fotoquímica. Fue galardonado con el premio Nobel de Química (1920) por su trabajo con termoquímica, particularmente desde el enunciado de la tercera ley de la termodinámica, cual de acuerdo con la entropía de una materia tiende a anularse cuando su temperatura se aproxima al cero absoluto, también llamada de teorema del calor. Durante su vida de científico también desarrolló una teoría osmótica para explicar y determinar el potencial de los electrodos de una pila de concentración, formuló la ley de la distribución de una materia entre dos fases, inventó la llamada lámpara de Nernst cuyo filamento podría resistir temperaturas por encima de los 1000°C, una micro balanza, un piano eléctrico y la conocida ecuación de Nernst y murió en Muskau, Ober-Zibelle, Alemania.
