La ecuación de Nernst es una relación matemática fundamental en electroquímica que predice el potencial de una celda electroquímica bajo condiciones diferentes al estado estándar. Fue desarrollada por el físico y químico alemán Walther Nernst a principios del siglo XX y es una herramienta poderosa en la investigación en química, biología y ciencias médicas. En este artículo, exploraremos cómo funciona la ecuación de Nernst, cómo se utiliza y por qué es tan importante.
Cómo funciona la ecuación de Nernst
La ecuación de Nernst relaciona el potencial de una celda electroquímica con las concentraciones de los reactivos y productos y el número de electrones transferidos en la reacción. Se expresa como:
E = E° – (RT/nF)ln(Q)
Donde E es el potencial de la celda, E° es el potencial estándar de reducción de la celda, R es la constante de los gases ideales, T es la temperatura en Kelvin, n es el número de electrones transferidos en la reacción, F es la constante de Faraday y Q es la relación de concentración de los reactivos y productos.
La ecuación de Nernst se usa para calcular el potencial de reducción de un electrodo en condiciones no estándar. Las condiciones estándar se definen como concentración 1M, presión de 1 atm y temperatura de 298K o 25ºC. La ecuación incluye variables como E, E0, R, T, n, F y Q. La fuerza electromotriz de una pila se calcula restando el potencial de reducción del cátodo del ánodo. En general, la ecuación de Nernst es una relación matemática utilizada en electroquímica para predecir el potencial de una celda electroquímica.
Qué significan los términos en la ecuación de Nernst
Es importante entender lo que cada término en la ecuación de Nernst representa para comprender cómo funciona.
- E: potencial de la celda.
- E°: potencial estándar de reducción de la celda.
- R: constante de los gases ideales.
- T: temperatura en Kelvin.
- n: número de electrones transferidos en la reacción.
- F: constante de Faraday.
- Q: relación de concentración de los reactivos y productos.
Q se deriva de la ley de acción de masas, que establece que la concentración de los reactivos y productos determina la velocidad de la reacción. Es la relación de la concentración de los productos y los reactivos, con los productos en el numerador y los reactivos en el denominador.
Para qué se utiliza la ecuación de Nernst
La ecuación de Nernst se utiliza comúnmente para predecir el potencial de una celda electroquímica y la dirección de la reacción. Además, también se utiliza en el diseño y la optimización de sistemas electroquímicos como baterías y celdas solares. Gracias a su versatilidad, la ecuación de Nernst también puede ser utilizada para calcular el pH de una solución y la solubilidad de sales poco solubles.
La ecuación de Nernst se puede usar para calcular el potencial de la celda en cualquier momento durante una reacción en condiciones diferentes al estado estándar. La selección de las sustancias a considerar en el cálculo se hace según las presiones parciales y/o concentraciones molares de los productos y reactivos. Las sustancias en estado sólido se les asigna concentración unitaria.
La ecuación de Nernst y la concentración
La concentración en la ecuación de Nernst no incluye unidades y el argumento del logaritmo es adimensional. Los cambios en las concentraciones de los iones involucrados en la reacción celular pueden predecir los cambios en el potencial celular a través de la ecuación de Nernst. La ecuación nos dice que el potencial de media celda cambiará en 59 mV por cambio de 10 veces en la concentración de una sustancia involucrada en una oxidación o reducción de un electrón. La variación del potencial para procesos de dos electrones es de 28 mV por década de cambio de concentración.
La ecuación de Nernst para la reducción de Fe3+ da una relación de Fe3+/Fe2+ de 0.14/1 en el agua natural. Además, la ecuación de Nernst también se utiliza para analizar celdas de concentración y en la construcción de diagramas de Pourbaix.
El papel del oxígeno atmosférico y la actividad biológica
El oxígeno atmosférico es un agente oxidante fuerte y afecta las propiedades redox del medio acuático. El pE es un índice útil de disponibilidad de electrones en sistemas biológicos y aguas naturales con múltiples sistemas redox. El potencial de oxida…
…ción está controlado por las concentraciones de formas oxidadas y reducidas de un par redox según la ecuación de Nernst. El oxígeno atmosférico gobierna la composición de los muchos sistemas redox conectados con la actividad biológica.
Se presenta un ejemplo de estimación del potencial redox de un agua natural en equilibrio con la atmósfera a pH 7 y 298K. El potencial viene dado por la ecuación de Nernst y está relacionado con la tendencia aceptora de electrones del oxígeno. El pH se trata como una variable independiente que controla la relación de las formas conjugadas de cualquier par ácido-base en la solución. El pE se define como el logaritmo negativo de la actividad electrónica en la solución.
Aplicaciones de la ecuación de Nernst en la biología y la medicina
Los sistemas biológicos cumplen funciones clave en el almacenamiento y uso de la energía en la forma de energía de los electrones. Los procesos de transporte de electrones en las células son catalizados por enzimas que utilizan la energía redox para llevar a cabo reacciones metabólicas críticas. La ecuación de Nernst se utiliza para calcular el potencial celular en células vivas. La función de la ecuación de Nernst es relacionar las concentraciones de los componentes de una reacción celular con el potencial celular estándar.
En las células, la actividad redox de los sistemas de electrones transportadores controla el potencial de la membrana mitocondrial, que a su vez es necesaria para la producción de energía en forma de moléculas de ATP. La regulación del potencial mitocondrial es crucial para la función celular, la homeostasis y la supervivencia.
Las titulaciones potenciométricas miden concentraciones de especies oxidantes o reductoras de manera amplia. El pH se mide con un electrodo de membrana de vidrio y se intercambian iones Na+ con H+. Los potenciales de membrana Donnan surgen cuando el paso de un ion a través de una membrana semipermeable se facilita o inhibe selectivamente. La conducción nerviosa no ocurre por un flujo de carga sino por una onda de despolarización causada por la acción concertada de canales activos.
Conclusión
En resumen, la ecuación de Nernst es una herramienta poderosa en la investigación en química, biología y ciencias médicas. Es una relación matemática fundamental en la electroquímica que predice el potencial de una celda electroquímica bajo condiciones diferentes al estado estándar y se utiliza comúnmente para predecir el potencial de una célula electroquímica y la dirección de la reacción. Además, la ecuación de Nernst se utiliza en el diseño y la optimización de sistemas electroquímicos como baterías y celdas solares.
En biología y medicina, la ecuación de Nernst es importante porque se utiliza para calcular el potencial celular en células vivas, lo que es crucial para la regulación del potencial mitocondrial y la producción de energía en forma de moléculas de ATP. La ecuación de Nernst también se utiliza para calcular el pH de una solución y la solubilidad de sales poco solubles. En general, la ecuación de Nernst es una herramienta valiosa para comprender la transferencia de electrones y la energía redox.
