Where the standard potential comes from
A galvanic cell pairs an oxidation half-reaction at the anode with a reduction half-reaction at the cathode, and electrons flow spontaneously from anode to cathode when the reaction is thermodynamically favourable. The standard cell potential, written E°, is measured under fixed reference conditions — 1 M concentrations, 1 atm partial pressure, 25°C — and can be looked up as the difference of two tabulated standard reduction potentials, E°cell = E°cathode - E°anode. A positive E°cell corresponds to a negative Gibbs free energy change, delta-G° = -nFE°, which is the thermodynamic reason the reaction proceeds on its own.
The Nernst equation itself
Real cells rarely sit at exactly 1 M and 25°C. Combining delta-G = delta-G° + RT ln Q (the free energy of a reaction away from standard conditions, where Q is the reaction quotient) with delta-G = -nFE gives the Nernst equation, named for Walther Nernst, who derived it in 1889.
E = E deg - (RT / nF) * ln(Q) at 25 degC (298 K), switching to log base 10: E = E deg - (0.0592 V / n) * log10(Q) Q = reaction quotient = [products] / [reactants] (activities)
Reading the equation: concentration, temperature, and n
Each term has a direct physical reading. Raising product concentration pushes Q up, which lowers E because the cell is being driven closer to equilibrium; raising reactant concentration does the opposite. Higher temperature amplifies the RT/nF prefactor, making the cell's voltage more sensitive to concentration changes. And n, the number of electrons transferred per reaction as written, sits in the denominator: a one-electron process (n = 1) swings its voltage far more for a given change in Q than a two-electron process (n = 2) does for the identical change.
At equilibrium: E = 0 and the link to K
When a cell fully discharges there is no more net driving force left, so E = 0 and the reaction quotient has reached the equilibrium constant, Q = K. Substituting those two facts into the Nernst equation gives a direct algebraic bridge between a purely thermodynamic quantity, E°, and a purely chemical-equilibrium quantity, K.
at equilibrium: 0 = E deg - (RT/nF) * ln(K)
=> ln(K) = n F E deg / (R T)
Real-world Nernst potentials: batteries and biology
In a discharging battery, reactants deplete and products accumulate, which is exactly the Nernst-driven voltage sag that separates a real, finite-capacity battery from an idealized constant-voltage source.
The same equation, applied separately to each ion species, gives the Nernst potential across a biological cell membrane — the equilibrium voltage for a single ion given its concentration difference between the inside and outside of a cell.
Those per-ion Nernst potentials, particularly for potassium and sodium, are the building blocks used to compute a neuron's resting membrane potential and to model how an action potential fires, tying this piece of 19th-century electrochemistry directly to modern neuroscience.
Frequently asked questions
Чому напруга акумулятора падає під час розрядки?
Під час розрядки акумулятора концентрація реагентів падає, а концентрація продуктів зростає, що збільшує реакційний коефіцієнт Q. Рівняння Нернста показує, що потенціал комірки зменшується, коли ln Q збільшується, тому виміряне напруження падає нижче свіжої, стандартної величини, навіть якщо основна хімія не змінилася – воно просто реагує на зміну концентрацій всередині комірки.
Що відбувається з потенціалом комірки при рівновазі?
При рівновазі реакційний коефіцієнт Q дорівнює константі рівноваги K, і потенціал комірки E падає до точно нуля – повністю розряджений акумулятор не має залишкової сили, яка б штовхала електрони через зовнішній ланцюг. Встановлення E = 0 в рівнянні Нернста дає пряму алгебраїчну залежність між стандартним потенціалом E deg і K: ln K = nFE deg / RT.
Як рівняння Нернста застосовується до нейронів?
Застосовуючи його окремо до кожного виду іонів, рівняння Нернста дає рівноважний (Нернстовський) потенціал через клітинну мембрану для цього іону, на основі різниці в концентрації між внутрішньою та зовнішньою сторонами клітини. Ці потенціали окремих іонів для калію, натрію та інших іонів є будівельними блоками, які використовуються для розрахунку спокою мембранного потенціалу нейронів і для моделювання того, як генеруються потенціали дії.
Спробуйте наживо
Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Nernst Equation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.
▶ Відкрити симуляцію Nernst Equation