Η εξίσωση Nernst, που πήρε το όνομά της από τον Γερμανό χημικό Walther Nernst, είναι μια εξίσωση που σχετίζει το τυπικό δυναμικό αναγωγής μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης με τη συγκέντρωση, την πίεση και τη θερμοκρασία ενός χημικού είδους που ανάγεται και οξειδώνεται υπό συνθήκες μη ισορροπίας. Είναι η πιο σημαντική εξίσωση στον τομέα της ηλεκτροχημείας.

Η εξίσωση 5 δείχνει τη γενική μορφή της εξίσωσης Nernst. Σε αυτό το άρθρο, θα χρησιμοποιήσουμε την εξίσωση Nernst για να αναλύσουμε τους ρόλους του διαλυμένου αερίου υδρογόνου και του pH 5 για να προβλέψουμε πόσο επηρεάζει το καθένα τη μέτρηση ORP. Προτού μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε την εξίσωση Nernst για να προβλέψουμε τις τιμές ORP για νερό με διαλυμένο αέριο υδρογόνο, πρέπει να τροποποιήσουμε ελαφρώς τη γενική του μορφή.

Δεδομένου ότι το τυπικό δυναμικό κυττάρου για το υδρογόνο είναι E0 = 0 (βλ. Πίνακα 1), μπορούμε να εξαλείψουμε αυτήν την έκφραση. Θα αντικαταστήσουμε επίσης τους όρους «[κόκκινο]» και «[βόδι]» με την ανηγμένη και οξειδωμένη μορφή του υδρογόνου Η2 και Η+, αντίστοιχα.
Η τελική μορφή της εξίσωσης Nernst που θα χρησιμοποιήσουμε φαίνεται στην Εξίσωση 6:

Σχέση μεταξύ του διαλυμένου Η2 - τιμής pH και του δυναμικού οξειδοαναγωγής οξείδωσης και αναγωγής Εξίσωση 5

Σχέση μεταξύ του διαλυμένου Η2 - τιμής pH και του δυναμικού οξειδοαναγωγής οξείδωσης και αναγωγής Εξίσωση 6

Δεδομένου ότι το νερό υδρογόνου που μετρήσαμε δεν υπάρχει υπό τυπικές συνθήκες, η εξίσωση Nernst μας επιτρέπει να υποκαταστήσουμε όποιες τιμές συγκέντρωσης, πίεσης και θερμοκρασίας επιλέξουμε και να προβλέψουμε το δυναμικό οξειδοαναγωγής σε μη τυπικές συνθήκες.

Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Nernst, μπορούμε να πειραματιστούμε με διαφορετικές τιμές για H2 και H+ και να αναλύσουμε την προβλεπόμενη επίδρασή τους στο ORP. Ακολουθούν ορισμοί για τους όρους και τις τιμές που χρησιμοποιούνται στην εξίσωση Nernst:

Emv, δυναμικό Nernst σε millivolt (ORP);
Ε0, τυπικό δυναμικό κυψέλης, 0,00 V;
R, καθολική σταθερά αερίου, 8,314 JK-1mol-1
Τ, θερμοκρασία, 298,150 K (25 °C / 77 °F);
z, # αριθμός ηλεκτρονίων που μεταφέρθηκαν στην αντίδραση, 2;
F, σταθερά Faraday, 96485,33 Cmol-1 (φόρτιση ηλεκτρονίου ανά mole)
[H2], συγκέντρωση αερίου υδρογόνου (σε μερική πίεση, pH2);
[Η+], συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου (προέρχεται από το pH).

Οι τιμές ORP που προβλέπονται από την εξίσωση Nernst υπολογίζονται υπό ιδανικές συνθήκες. Ενώ οι πραγματικές μετρήσεις πεδίου της ORP ποικίλλουν ανάλογα με έναν αριθμό παραγόντων, οι σχέσεις μεταξύ pH, H2 και ORP παραμένουν οι ίδιες.

Για να αυτοματοποιηθεί ο υπολογισμός του προβλεπόμενου δυναμικού οξειδοαναγωγής σε διαφορετικά σενάρια θερμοκρασίας/H2/pH, η εξίσωση Nernst προγραμματίστηκε σε μια αριθμομηχανή (χρησιμοποιώντας MS-Excel/VBA).

Τα υπολογισμένα αποτελέσματα για κάθε σενάριο χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για τη δημιουργία του πίνακα δεδομένων H2, pH και οξειδοαναγωγής (με ζεύγη ταξινομημένα κατά x και y) που απαιτούνται για τη σχεδίαση των διαφόρων γραφημάτων που χρησιμοποιούνται σε αυτό το άρθρο.

Το σχήμα 4 δείχνει τη διεπαφή χρήστη της αριθμομηχανής Nernst, η οποία εμφανίζει όχι μόνο το προβλεπόμενο δυναμικό οξειδοαναγωγής, αλλά και τα περισσότερα από τα ενδιάμεσα αποτελέσματα:

Σχέση μεταξύ του διαλυμένου Η2 - τιμής pH και του δυναμικού οξειδοαναγωγής Υπολογιστής Nernst ORP

Αν και δεν είναι στόχος μας να συζητήσουμε λεπτομερώς την εξίσωση Nernst, μια πιο προσεκτική ματιά στην Εξίσωση 6 θα μας δώσει σημαντική εικόνα για τον υπολογισμό του ORP. Το σχήμα 5 δείχνει τα δύο είδη από την εξίσωση Nernst που σχηματίζουν το "οξειδοαναγωγικό ζευγάρι ενδιαφέροντος" μας:

Σχέση μεταξύ του διαλυμένου Η2 - τιμής pH και του δυναμικού οξειδοαναγωγής Ζεύγος οξειδοαναγωγικής εξίσωσης Nernst

Όπως συζητήσαμε προηγουμένως, αυτές οι δύο μορφές υδρογόνου (οξειδωμένη και ανηγμένη μορφή) αντιπροσωπεύουν τα δύο είδη στο νερό των οποίων οι συγκεντρώσεις συμβάλλουν στο δυναμικό οξειδοαναγωγής του νερού. Ενώ το νερό συνήθως περιέχει πολλά ζευγάρια οξειδοαναγωγής των οποίων τα δυναμικά οξειδοαναγωγής μαζί σχηματίζουν το συνολικό ORP, στην ανάλυσή μας λαμβάνουμε υπόψη μόνο το ζευγάρι οξειδοαναγωγής H+/H2. Η έκφραση «[H2]» αντιπροσωπεύει τη συγκέντρωση του διαλυμένου αερίου υδρογόνου (εκφρασμένη ως μερική πίεση, pH2) και η έκφραση «[H+]» αντιπροσωπεύει τη συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου (την οποία υπολογίζουμε από το pH του νερού).
Επομένως, η ένδειξη ORP δεν εξαρτάται μόνο από τη συγκέντρωση του διαλυμένου αερίου υδρογόνου, αλλά από τις συγκεντρώσεις τόσο του Η2 όσο και του Η+.

Όπως θα δούμε, κάθε ένα από αυτά τα είδη συμβάλλει στη μέτρηση ORP. Εφόσον είδαμε ότι το λυμένο H2 είναι υπεύθυνο για το αρνητικό ORP, αυτό συνεπάγεται μια σχέση μεταξύ των δύο και εγείρει ορισμένα ερωτήματα:

Πόσο διαλυμένο H2 χρειάζεται για να παραχθεί αρνητικό ORP;
Πόσο έντονα ανταποκρίνεται το ORP στις αλλαγές στη συγκέντρωση Η2;
Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την τιμή ORP για να μετρήσουμε το διαλυμένο περιεχόμενο H2;
Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τις μετρήσεις ORP από δύο διαφορετικά δείγματα για να συγκρίνουμε τις σχετικές συγκεντρώσεις διαλυμένου Η2;

Η εξίσωση Nernst θα μας βοηθήσει να απαντήσουμε σε αυτές τις ερωτήσεις επειδή μας επιτρέπει να αναλύσουμε πώς οι αλλαγές στο H+ και το H2 επηρεάζουν τη μέτρηση ORP.

Απόσπασμα από το βιβλίο του Randy Sharpe: «Η σχέση μεταξύ διαλυμένου Η2, pH και οξειδοαναγωγικού δυναμικού»

Σύνδεσμος με το απόσπασμα του βιβλίου
Σύνδεσμος προς το ηλεκτρονικό βιβλίο

Έχετε περαιτέρω ερωτήσεις σχετικά με το νερό με υδρογόνο, τους ιονιστές νερού, τα συστήματα αντίστροφης όσμωσης, τα φίλτρα νερού ή την εισπνοή υδρογόνου;