La ecuación de Nernst, que lleva el nombre del químico alemán Walther Nernst, es una ecuación que relaciona el potencial de reducción estándar de una reacción electroquímica con la concentración, presión y temperatura de una especie química que se reduce y se oxida en condiciones de desequilibrio. Es la ecuación más importante en el campo de la electroquímica.
La ecuación 5 muestra la forma general de la ecuación de Nernst. En este artículo, utilizaremos la ecuación de Nernst para analizar las funciones del gas hidrógeno disuelto y el pH 5 para predecir cuánto influye cada uno en la medición de ORP. Antes de que podamos utilizar la ecuación de Nernst para predecir los valores de ORP para agua con gas hidrógeno disuelto, debemos modificar ligeramente su forma general.
Dado que el potencial de celda estándar para el hidrógeno es E0 = 0 (ver Tabla 1), podemos eliminar esta expresión. También reemplazaremos los términos “[rojo]” y “[ox]” con las formas reducida y oxidada del hidrógeno H2 y H+, respectivamente.
La forma final de la ecuación de Nernst que usaremos se muestra en la Ecuación 6:
Dado que el agua con hidrógeno que medimos no existe en condiciones estándar, la ecuación de Nernst nos permite sustituir cualquier valor de concentración, presión y temperatura que elijamos y predecir el potencial redox en condiciones no estándar.
Usando la ecuación de Nernst, podemos experimentar con diferentes valores para H2 y H+ y analizar su efecto previsto sobre el ORP. A continuación se presentan definiciones de los términos y valores utilizados en la ecuación de Nernst:
- Emv, potencial de Nernst en milivoltios (ORP);
- E0, potencial de celda estándar, 0,00 V;
- R, constante universal de los gases, 8,314 JK-1mol-1
- T, temperatura, 298,150 K (25 °C/77 °F);
- z, # número de electrones transferidos en la reacción, 2;
- F, constante de Faraday, 96485,33 Cmol-1 (carga electrónica por mol)
- [H2], concentración de gas hidrógeno (a presión parcial, pH2);
- [H+], concentración de iones de hidrógeno (derivada del pH).
Los valores de ORP predichos por la ecuación de Nernst se calculan en condiciones ideales. Si bien las mediciones reales de ORP en el campo varían dependiendo de una serie de factores, las relaciones entre pH, H2 y ORP siguen siendo las mismas.
Para automatizar el cálculo del potencial redox previsto en diferentes escenarios de temperatura/H2/pH, se programó la ecuación de Nernst en una calculadora (usando MS-Excel/VBA).
Los resultados calculados para cada escenario se utilizaron luego para crear la tabla de datos de H2, pH y redox (con pares ordenados por xey) necesaria para trazar los distintos gráficos utilizados en este artículo.
La Figura 4 muestra la interfaz de usuario de la calculadora Nernst, que muestra no sólo el potencial redox previsto, sino también la mayoría de los resultados intermedios:
Aunque no es nuestro objetivo discutir la ecuación de Nernst en detalle, una mirada más cercana a la Ecuación 6 nos dará una idea importante del cálculo del ORP. La Figura 5 muestra las dos especies de la ecuación de Nernst que forman nuestro "par redox de interés":
Como comentamos anteriormente, estas dos formas de hidrógeno (formas oxidada y reducida) representan las dos especies en el agua cuyas concentraciones contribuyen al potencial redox del agua. Mientras que el agua normalmente contiene varios pares redox cuyos potenciales redox juntos forman el ORP total, en nuestro análisis solo consideramos el par redox H+/H2. La expresión “[H2]” representa la concentración de gas hidrógeno disuelto (expresada como presión parcial, pH2) y la expresión “[H+]” representa la concentración de iones de hidrógeno (que calculamos a partir del pH del agua).
Por lo tanto, la lectura de ORP no depende únicamente de la concentración de gas hidrógeno disuelto, sino de las concentraciones de H2 y H+.
Como veremos, cada una de estas especies contribuye a la medición del ORP. Como hemos visto que el H2 resuelto es responsable del ORP negativo, esto implica una relación entre los dos y plantea algunas preguntas:
- ¿Cuánto H2 disuelto se necesita para producir un ORP negativo?
- ¿Con qué fuerza responde el ORP a los cambios en la concentración de H2?
- ¿Podemos utilizar el valor ORP para medir el contenido de H2 disuelto?
- ¿Podemos utilizar las mediciones de ORP de dos muestras diferentes para comparar sus concentraciones relativas de H2 disuelto?
La ecuación de Nernst nos ayudará a responder estas preguntas porque nos permite analizar cómo los cambios en H+ y H2 afectan la medición de ORP.
Extracto del libro de Randy Sharpe: "La relación entre H2 disuelto, pH y potencial redox"
