Электрохимический потенциал

В электрохимии электрохимический потенциал ( ECP ), ц , является термодинамической мерой химического потенциала , которая не исключает энергетического вклада электростатики . Электрохимический потенциал выражается в единицах Дж / моль .

Введение

Каждый химический вид (например, «молекулы воды», «ионы натрия», «электроны» и т. д.) имеет электрохимический потенциал (величину в единицах энергии) в любой данной точке пространства, который показывает, насколько легко или сложно это сделать. заключается в том, чтобы добавить больше представителей этого вида в это место. Если возможно, вид переместится из областей с более высоким электрохимическим потенциалом в области с более низким электрохимическим потенциалом; в равновесии электрохимический потенциал будет везде постоянным для каждого вида (для разных видов он может иметь разное значение). Например, если в стакане воды есть ионы натрия (Na ⁺) равномерно растворен в нем, и к воде приложено электрическое поле , тогда ионы натрия будут стремиться притягиваться электрическим полем в одну сторону. Мы говорим, что ионы обладают электрической потенциальной энергией и движутся к снижению своей потенциальной энергии. Аналогично, если в стакане воды с одной стороны много растворенного сахара, а с другой нет, каждая молекула сахара будет случайным образом диффундировать по воде, пока концентрация сахара не будет одинаковой повсюду. Мы говорим, что молекулы сахара обладают « химическим потенциалом », который выше в областях с высокой концентрацией, и молекулы движутся в сторону понижения своего химического потенциала. Эти два примера показывают, что электрический потенциал и химический потенциал могут дать один и тот же результат: перераспределение химических веществ. Поэтому имеет смысл объединить их в единый «потенциал» — электрохимический потенциал , который может непосредственно дать чистое перераспределение с учетом того и другого .

(В принципе) легко измерить, имеют ли две области (например, два стакана воды) одинаковый электрохимический потенциал для определенного химического вещества (например, молекулы растворенного вещества): позвольте этому виду свободно двигаться назад и назад. между двумя областями (например, соединить их полупроницаемой мембраной , пропускающей только этот вид). Если химический потенциал одинаков в двух регионах, виды будут время от времени перемещаться туда и обратно между двумя регионами, но в среднем движение в одном направлении одинаково сильно, как и в другом, а чистая миграция равна нулю (это называемое «диффузионное равновесие»). Если химические потенциалы двух областей различны, больше молекул будет двигаться к более низкому химическому потенциалу, чем в другом направлении.

Более того, когда диффузионного равновесия нет , т. е. когда существует тенденция диффундировать молекул из одной области в другую, то существует определенная свободная энергия, выделяемая каждой чистой диффундирующей молекулой. Эта энергия, которую иногда можно использовать (простым примером является концентрационная ячейка ), и свободная энергия на моль в точности равна разности электрохимических потенциалов между двумя областями.

Противоречивая терминология

В электрохимии и физике твердого тела принято обсуждать как химический потенциал , так и электрохимический потенциал электронов . Однако в этих двух областях определения этих двух терминов иногда меняются местами. В электрохимии электрохимический потенциал электронов (или любых других частиц) представляет собой общий потенциал, включая как (внутренний, неэлектрический) химический потенциал, так и электрический потенциал, и по определению постоянен в равновесном устройстве, тогда как химический потенциал электронов равен электрохимическому потенциалу минус локальная электрическая потенциальная энергия на электрон. ^[1] В физике твердого тела определения обычно совместимы с этим: ^[2] но иногда ^[3] определения поменялись местами.

В этой статье используются определения электрохимии.

Определение и использование

В общих чертах, электрохимический потенциал — это механическая работа , совершаемая при переводе 1 моля иона из стандартного состояния в заданную концентрацию и электрический потенциал . Согласно определению ИЮПАК , ^[4] это частичная молярная энергия Гиббса вещества при заданном электрическом потенциале, когда вещество находится в определенной фазе. Электрохимический потенциал можно выразить как

${\bar {\mu }}_{i}=\mu _{i}+z_{i}F\Phi ,$

где:

μ _i — электрохимический потенциал частиц i , Дж/моль,
μ _i — химический потенциал частиц i , Дж/моль,
z _i — валентность (заряд) иона i , безразмерное целое число,
F — константа Фарадея , Кл/моль,
Φ — локальный электростатический потенциал, В.

В частном случае незаряженного атома z _i = 0, и поэтому µ _i = µ _i .

Электрохимический потенциал важен в биологических процессах, которые включают молекулярную диффузию через мембраны, в электроаналитической химии и промышленных применениях, таких как батареи и топливные элементы. Он представляет собой одну из многих взаимозаменяемых форм потенциальной энергии, посредством которой энергия может сохраняться .

В клеточных мембранах электрохимический потенциал представляет собой сумму химического потенциала и мембранного потенциала .

Неправильное использование

Термин «электрохимический потенциал» иногда используется для обозначения потенциала электрода (либо корродирующего электрода, либо электрода с ненулевой результирующей реакцией или током, либо электрода в равновесии). В некоторых контекстах электродный потенциал корродирующих металлов называют «потенциалом электрохимической коррозии». ^[5] который часто называют ECP, а слово «коррозия» иногда опускается. Такое использование может привести к путанице. Эти две величины имеют разные значения и разные размеры: размерность электрохимического потенциала — это энергия на моль, а размерность электродного потенциала — это напряжение (энергия на заряд).

См. также

Ссылки

^ Бард; Фолкнер. «Раздел 2.2.4(а),4-5». Электрохимические методы (2-е изд.).
^ Маделунг, Отфрид (1978). Введение в теорию твердого тела . п. 198. ИСБН 9783540604433 .
^ Эшкрофт; Мермин. Физика твердого тела . п. 593.
^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Электрохимический потенциал ». два : 10.1351/goldbook.E01945 .
^ Гровер, диджей (1996). Моделирование водно-химического режима и потенциала электрохимической коррозии в реакторах с кипящей водой (PDF) (Диссертация). Массачусетский технологический институт .

Внешние ссылки

Электрохимический потенциал. Архивировано 29 апреля 2009 г. в Wayback Machine - конспекты лекций Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн.

[1] Бард; Фолкнер. «Раздел 2.2.4(а),4-5». Электрохимические методы (2-е изд.).

[2] Маделунг, Отфрид (1978). Введение в теорию твердого тела . п. 198. ИСБН 9783540604433 .

[3] Эшкрофт; Мермин. Физика твердого тела . п. 593.

[4] ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Электрохимический потенциал ». два : 10.1351/goldbook.E01945 .

[5] Гровер, диджей (1996). Моделирование водно-химического режима и потенциала электрохимической коррозии в реакторах с кипящей водой (PDF) (Диссертация). Массачусетский технологический институт .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]