L'équation de Nernst, du nom du chimiste allemand Walther Nernst, est une équation qui relie le potentiel de réduction standard d'une réaction électrochimique à la concentration, la pression et la température d'une espèce chimique réduite et oxydée dans des conditions de non-équilibre. C'est l'équation la plus importante dans le domaine de l'électrochimie.
L'équation 5 montre la forme générale de l'équation de Nernst. Dans cet article, nous utiliserons l'équation de Nernst pour analyser les rôles de l'hydrogène dissous et du pH 5 afin de prédire dans quelle mesure chacun influence la mesure de l'ORP. Avant de pouvoir utiliser l'équation de Nernst pour prédire les valeurs ORP de l'eau contenant de l'hydrogène dissous, nous devons légèrement modifier sa forme générale.
Puisque le potentiel standard de la cellule pour l’hydrogène est E0 = 0 (voir tableau 1), nous pouvons éliminer cette expression. Nous remplacerons également les termes « [red] » et « [ox] » par les formes réduite et oxydée de l’hydrogène H2 et H+, respectivement.
La forme finale de l'équation de Nernst que nous utiliserons est présentée dans l'équation 6 :
Étant donné que l'eau hydrogène que nous avons mesurée n'existe pas dans des conditions standard, l'équation de Nernst nous permet de substituer toutes les valeurs de concentration, de pression et de température que nous choisissons et de prédire le potentiel redox dans des conditions non standard.
En utilisant l'équation de Nernst, nous pouvons expérimenter différentes valeurs de H2 et H+ et analyser leur effet prévu sur l'ORP. Vous trouverez ci-dessous les définitions des termes et valeurs utilisés dans l'équation de Nernst :
- Emv, potentiel de Nernst en millivolts (ORP) ;
- E0, potentiel de cellule standard, 0,00 V ;
- R, constante universelle des gaz, 8,314 JK-1mol-1
- T, température, 298,150 25 K (77 °C / XNUMX °F) ;
- z, # nombre d'électrons transférés dans la réaction, 2 ;
- F, constante de Faraday, 96485,33 Cmol-1 (charge électronique par mole)
- [H2], concentration d'hydrogène gazeux (à pression partielle, pH2) ;
- [H+], concentration en ions hydrogène (dérivée du pH).
Les valeurs ORP prédites par l'équation de Nernst sont calculées dans des conditions idéales. Bien que les mesures réelles de l'ORP sur le terrain varient en fonction d'un certain nombre de facteurs, les relations entre pH, H2 et ORP restent les mêmes.
Pour automatiser le calcul du potentiel redox prévu dans différents scénarios température/H2/pH, l'équation de Nernst a été programmée dans une calculatrice (à l'aide de MS-Excel/VBA).
Les résultats calculés pour chaque scénario ont ensuite été utilisés pour créer le tableau de données H2, pH et redox (avec des paires ordonnées par x et y) nécessaire pour tracer les différents graphiques utilisés dans cet article.
La figure 4 montre l'interface utilisateur du calculateur de Nernst, qui affiche non seulement le potentiel redox prédit, mais également la plupart des résultats intermédiaires :
Bien que notre objectif ne soit pas de discuter de l’équation de Nernst en détail, un examen plus approfondi de l’équation 6 nous donnera un aperçu important du calcul de l’ORP. La figure 5 montre les deux espèces de l'équation de Nernst qui forment notre « couple rédox d'intérêt » :
Comme nous l'avons évoqué précédemment, ces deux formes d'hydrogène (formes oxydées et réduites) représentent les deux espèces présentes dans l'eau dont les concentrations contribuent au potentiel rédox de l'eau. Alors que l’eau contient normalement plusieurs couples rédox dont les potentiels rédox forment ensemble l’ORP total, dans notre analyse nous ne considérons que le couple rédox H+/H2. L'expression « [H2] » représente la concentration d'hydrogène gazeux dissous (exprimée en pression partielle, pH2) et l'expression « [H+] » représente la concentration d'ions hydrogène (que l'on calcule à partir du pH de l'eau).
Par conséquent, la lecture ORP ne dépend pas uniquement de la concentration d’hydrogène gazeux dissous, mais des concentrations de H2 et de H+.
Comme nous le verrons, chacune de ces espèces contribue à la mesure de l’ORP. Puisque nous avons vu que H2 résolu est responsable de l’ORP négatif, cela implique une relation entre les deux et soulève quelques questions :
- Quelle quantité de H2 dissous est nécessaire pour produire un ORP négatif ?
- Dans quelle mesure l’ORP réagit-il aux changements de concentration en H2 ?
- Pouvons-nous utiliser la valeur ORP pour mesurer la teneur en H2 dissous ?
- Pouvons-nous utiliser les mesures ORP de deux échantillons différents pour comparer leurs concentrations relatives de H2 dissous ?
L'équation de Nernst nous aidera à répondre à ces questions car elle nous permet d'analyser comment les changements de H+ et H2 affectent la mesure de l'ORP.
Extrait du livre de Randy Sharpe : "La relation entre H2 dissous, pH et potentiel redox"
