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Nernst-Gleichung-Rechner (Zellspannung)

Kurz gesagt: Nernst-Gleichung-Rechner: Löse nach E, E°, Q oder n bei jeder Temperatur auf und wähle zwei Halbzellen aus einer Tabelle der Standardreduktionspotentiale, um E°Zelle, ΔG° und K zu erhalten. Er ist kostenlos, läuft im Webbrowser und braucht keinen Download.

Verwende den oberen Rechner für E = E° − (RT/nF) ln Q mit einer beliebigen Unbekannten. Mit dem Zellbaukasten wählst du Kathode und Anode aus 38 gängigen Redoxpaaren. Er berechnet E°Zelle, n, ΔG°, die Gleichgewichtskonstante K und, wenn du Q angibst, die tatsächliche Zellspannung.

Kurzantwort: E = E° − (0,0592/n) log Q bei 25 °C. Daniell-Element: E° = 0,34 − (−0,76) = 1,10 V, ΔG° = −212 kJ/mol, K ≈ 1,5 × 10³⁷. Mit [Zn²⁺] = 0,10 M und [Cu²⁺] = 1,0 M ergibt sich E = 1,13 V.

E = E° − (RT/nF) ln Q. Fülle drei der Werte E, E°, n und Q aus und lass einen leer.

Zellspannung aus zwei Halbzellen

Nernst-Gleichung und verwandte Formeln

E = E° − (RT / nF) ln Q bei 298.15 K: E = E° − (0.0592 / n) log₁₀ Q E°Zelle = E°Kathode − E°Anode ΔG° = −nFE°Zelle ln K = nFE°Zelle / RT log K = nE° / 0.0592 (298 K)

R = 8,314 J mol⁻¹ K⁻¹, F = 96485 C mol⁻¹, T in Kelvin und n ist die Zahl der in der ausgeglichenen Reaktion übertragenen Elektronen. Q wird wie ein Gleichgewichtsausdruck geschrieben, mit Produkten über Edukten. Reine Feststoffe und Flüssigkeiten werden weggelassen. Gase gehen als Partialdrücke in bar ein.

Vorzeichen von E°ZelleΔG°KUnter Standardbedingungen
PositivNegativGrößer als 1Freiwillig (galvanische Zelle)
NullNull1Im Gleichgewicht
NegativPositivKleiner als 1Nicht freiwillig (erfordert Elektrolyse)

Konzentrationszellen

Beide Elektroden bestehen aus demselben Metall, daher ist E° = 0. Die Spannung entsteht nur durch den Konzentrationsunterschied. Für Cu | Cu²⁺ (0,010 M) || Cu²⁺ (1,0 M) | Cu gilt n = 2 und Q = 0,010/1,0, also E = 0 − (0,0592/2) log 0,010 = +0,0592 V. Die verdünnte Seite ist die Anode.

Standardreduktionspotentiale (25 °C)

HalbreaktionE° (V)
F₂ + 2e⁻ → 2F⁻+2.87
S₂O₈²⁻ + 2e⁻ → 2SO₄²⁻+2.01
H₂O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → 2H₂O+1.78
MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O+1.51
Au³⁺ + 3e⁻ → Au+1.50
Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻+1.36
Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O+1.33
O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O+1.23
Br₂ + 2e⁻ → 2Br⁻+1.07
NO₃⁻ + 4H⁺ + 3e⁻ → NO + 2H₂O+0.96
Hg²⁺ + 2e⁻ → Hg+0.85
Ag⁺ + e⁻ → Ag+0.80
Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺+0.77
I₂ + 2e⁻ → 2I⁻+0.54
Cu⁺ + e⁻ → Cu+0.52
O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻+0.40
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu+0.34
Hg₂Cl₂ + 2e⁻ → 2Hg + 2Cl⁻+0.27
AgCl + e⁻ → Ag + Cl⁻+0.22
Sn⁴⁺ + 2e⁻ → Sn²⁺+0.15
2H⁺ + 2e⁻ → H₂0.00
Pb²⁺ + 2e⁻ → Pb−0.13
Sn²⁺ + 2e⁻ → Sn−0.14
Ni²⁺ + 2e⁻ → Ni−0.25
Co²⁺ + 2e⁻ → Co−0.28
Cd²⁺ + 2e⁻ → Cd−0.40
Fe²⁺ + 2e⁻ → Fe−0.44
Cr³⁺ + 3e⁻ → Cr−0.74
Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn−0.76
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻−0.83
Mn²⁺ + 2e⁻ → Mn−1.18
Al³⁺ + 3e⁻ → Al−1.66
Mg²⁺ + 2e⁻ → Mg−2.37
Na⁺ + e⁻ → Na−2.71
Ca²⁺ + 2e⁻ → Ca−2.87
Ba²⁺ + 2e⁻ → Ba−2.91
K⁺ + e⁻ → K−2.93
Li⁺ + e⁻ → Li−3.04

Gängige Lehrbuchwerte gegen die Standardwasserstoffelektrode, gerundet auf 0,01 V. Je nach Quelle weichen manche Redoxpaare um etwa 0,01 bis 0,03 V ab (zum Beispiel wird Cr₂O₇²⁻/Cr³⁺ mit 1,33 oder 1,36 V angegeben und Au³⁺/Au mit 1,50 oder 1,52 V).

Rechenbeispiele

Daniell-Element

Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu. E° = 0,34 − (−0,76) = 1,10 V, n = 2.

ΔG° = −2 × 96485 × 1,10 = −212 kJ/mol. log K = 2 × 1,10 / 0,0592 = 37,2.

E° = 1,10 V, ΔG° = −212 kJ/mol, K ≈ 1,5 × 10³⁷

Daniell-Element unter Nicht-Standardbedingungen

[Zn²⁺] = 0,10 M, [Cu²⁺] = 1,0 M. Q = [Zn²⁺]/[Cu²⁺] = 0,10.

E = 1,10 − (0,0592/2) log 0,10 = 1,10 + 0,0296

E = 1,13 V

Mg | Cu-Zelle im NCERT-Stil

Mg | Mg²⁺ (0,001 M) || Cu²⁺ (0,0001 M) | Cu. E° = 0,34 − (−2,37) = 2,71 V.

Q = 0,001/0,0001 = 10. E = 2,71 − (0,0592/2) log 10

E = 2,68 V

Wasserstoffelektrode bei pH 10

2H⁺ + 2e⁻ → H₂, E° = 0, P(H₂) = 1 bar. Q = 1/[H⁺]² = 10²⁰.

E = 0 − (0,0592/2) × 20 = −0,0592 × pH

E = −0,592 V

Gleichgewichtskonstante (JEE-Stil)

Cu + 2Ag⁺ → Cu²⁺ + 2Ag. E° = 0,80 − 0,34 = 0,46 V, n = 2.

log K = 2 × 0,46 / 0,0592 = 15,5

K ≈ 3,6 × 10¹⁵

Permanganat oxidiert Fe²⁺

MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5Fe²⁺ → Mn²⁺ + 5Fe³⁺ + 4H₂O. E° = 1,51 − 0,77.

n = 5 (die Fe-Halbreaktion wird mit 5 multipliziert, E° aber nicht).

E° = +0,74 V, freiwillig

Einheiten und häufige Fehler

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Häufig gestellte Fragen

Was ist die Nernst-Gleichung?

E = E° − (RT/nF) ln Q. Sie liefert das Potential einer Elektrode oder Zelle, wenn die Konzentrationen nicht 1 M betragen. Bei 25 °C wird sie zu E = E° − (0,0592/n) log Q.

Wie berechne ich die Standardzellspannung?

Schlage beide Standardreduktionspotentiale nach und verwende E°Zelle = E°Kathode − E°Anode. Für das Daniell-Element gilt 0,34 − (−0,76) = 1,10 V. Ein positiver Wert bedeutet, dass die Zellreaktion freiwillig abläuft.

Woher kommt der Wert 0,0592?

Er ist 2,303RT/F bei 298,15 K: 2,303 × 8,314 × 298,15 / 96485 = 0,0592 V. Er ändert sich mit der Temperatur, daher verwende abseits von 25 °C die vollständige Form mit RT/F.

Wie hängen E°, ΔG° und K zusammen?

ΔG° = −nFE° und ΔG° = −RT ln K, also ln K = nFE°/RT. Ein positives E° ergibt ein negatives ΔG° und ein K größer als 1.

Was ist eine Konzentrationszelle?

Eine Zelle mit derselben Elektrode und demselben Ion auf beiden Seiten, aber in unterschiedlichen Konzentrationen. E° = 0, also E = −(0,0592/n) log(verdünnt/konzentriert). Elektronen fließen, bis die Konzentrationen gleich sind.

Was passiert mit E, während die Zelle arbeitet?

Produkte reichern sich an und Edukte werden verbraucht, daher steigt Q und E sinkt. Erreicht E null, ist Q gleich K und die Zelle ist erschöpft (im Gleichgewicht).

Was ist n in der Nernst-Gleichung?

Die Stoffmenge der übertragenen Elektronen pro Formelumsatz der Reaktion, wie sie geschrieben ist. Sie muss zur ausgeglichenen Gesamtgleichung passen, zum Beispiel n = 2 für Zn + Cu²⁺ und n = 5, wenn MnO₄⁻ Fe²⁺ oxidiert.

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