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So verwendest du die Nernst-Gleichung

Zwei Formen einer Gleichung

Die Nernst-Gleichung gibt das Potenzial einer Elektrode, Zelle oder Membran an, wenn die Konzentrationen nicht ihren Standardwerten entsprechen. Chemie und Biologie schreiben sie auf zwei Arten.

Elektrochemische Zelle: E = E° − (RT ÷ nF) × ln Q

Ion an einer Membran: EIon = (RT ÷ zF) × ln([Ion]außen ÷ [Ion]innen)

R ist 8,314 J/(mol·K), T die Temperatur in Kelvin, F 96.485 C/mol, n die Zahl der übertragenen Elektronen, z die Ladung des Ions und Q der Reaktionsquotient.

Die Abkürzungen

Der Wechsel von ln zu log10 multipliziert mit 2,303. RT/F × 2,303 sind 59,16 mV bei 25 °C und 61,5 mV bei 37 °C, also:

  • bei 25 °C: E = E° − (0,05916 V ÷ n) × log Q
  • bei 37 °C: EIon = (61,5 mV ÷ z) × log([außen] ÷ [innen])

Beispiel: eine Zink-Kupfer-Zelle

Zn | Zn2+ (1,0 M) || Cu2+ (0,010 M) | Cu bei 25 °C, mit E° = 1,10 V und n = 2. Q = [Zn2+] ÷ [Cu2+] = 100, und log 100 = 2.

E = 1,10 − (0,05916 ÷ 2) × 2 = 1,10 − 0,059 = 1,04 V. Weniger Kupferionen senken die Zellspannung.

Beispiel: Ionen an der Membran einer Nervenzelle

Mit typischen Konzentrationen bei Säugetieren und 37 °C:

IonAußen (mM)Innen (mM)Gleichgewichtspotenzial
K+514061,5 × log(5 ÷ 140) = −89 mV
Na+1451261,5 × log(145 ÷ 12) = +67 mV
Ca2+20,0001(61,5 ÷ 2) × log(20.000) = +132 mV
Cl−11010(61,5 ÷ −1) × log(11) = −64 mV

Das Ruhepotenzial von etwa −70 mV liegt nahe am Wert für K+, weil die ruhende Membran vor allem für Kalium durchlässig ist. Um mehrere Ionen nach ihrer Permeabilität zu gewichten, nimmst du stattdessen die Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung.

Häufige Fehler

  • Das Vorzeichen von z. Für ein Anion wie Cl− ist z = −1, das kehrt das Vorzeichen um.
  • Außen durch innen. In der Membranform steht die Außenkonzentration oben. Vertauschst du sie, kehrt sich das Vorzeichen um.
  • Temperatur. Mit 59 mV bei Körpertemperatur wird jedes Ergebnis etwa 4 % zu klein.
  • Aktivitäten. Streng genommen stehen in der Gleichung Aktivitäten, keine Konzentrationen. In konzentrierten Lösungen unterscheiden sie sich deutlich.

Rechner

Der Nernst-Gleichung-Rechner rechnet beide Formen bei jeder Temperatur. Für die Wasserstoffionenkonzentration und den pH-Wert nimm den pH-Rechner.

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