Elektrokemisk potential - Electrochemical potential

Inom elektrokemi är den elektrokemiska potentialen ( ECP ), μ , ett termodynamiskt mått på kemisk potential som inte utelämnar energibidraget från elektrostatik . Elektrokemisk potential uttrycks i enheten J / mol .

Introduktion

Varje kemisk art (till exempel "vattenmolekyler", "natriumjoner", "elektroner", etc.) har en elektrokemisk potential (en kvantitet med enheter av energi) vid en given punkt i rymden, vilket representerar hur lätt eller svårt det är är att lägga till mer av den arten till den platsen. Om möjligt kommer en art att flytta från områden med högre elektrokemisk potential till områden med lägre elektrokemisk potential; i jämvikt kommer den elektrokemiska potentialen att vara konstant överallt för varje art (den kan ha ett annat värde för olika arter). Till exempel, om ett glas vatten har natriumjoner (Na ⁺ ) löst likformigt i det och ett elektriskt fält appliceras tvärs över vattnet, tenderar natriumjonerna att dras av det elektriska fältet mot ena sidan. Vi säger att jonerna har elektrisk potentiell energi och flyttar för att sänka sin potentiella energi. På samma sätt, om ett glas vatten har mycket upplöst socker på ena sidan och inget på andra sidan, kommer varje sockermolekyl att slumpmässigt sprida sig runt vattnet tills det finns samma sockerkoncentration överallt. Vi säger att sockermolekylerna har en " kemisk potential ", som är högre i områden med hög koncentration, och molekylerna rör sig för att sänka sin kemiska potential. Dessa två exempel visar att en elektrisk potential och en kemisk potential båda kan ge samma resultat: En omfördelning av den kemiska arten. Därför är det meningsfullt att kombinera dem till en enda "potential", den elektrokemiska potentialen , som direkt kan ge nettofördelningen med hänsyn till båda .

Det är (i princip) lätt att mäta huruvida två regioner (till exempel två glas vatten) har samma elektrokemiska potential för en viss kemisk art (till exempel en löst molekyl): Låt arten fritt röra sig tillbaka och fram mellan de två regionerna (anslut dem till exempel med ett halvgenomsläppligt membran som bara släpper igenom den arten). Om den kemiska potentialen är densamma i de två regionerna, kommer arten ibland att röra sig fram och tillbaka mellan de två regionerna, men i genomsnitt är det lika mycket rörelse i en riktning som den andra, och det finns noll nettomigrering (detta är kallas "diffusiv jämvikt"). Om de två regionernas kemiska potentialer är olika, kommer fler molekyler att flytta till den lägre kemiska potentialen än den andra riktningen.

Dessutom, när det inte finns diffusiv jämvikt, dvs när det finns en tendens för molekyler att diffundera från en region till en annan, så finns det en viss fri energi som frigörs av varje nätdiffusionsmolekyl. Denna energi, som ibland kan utnyttjas (ett enkelt exempel är en koncentrationscell ), och den fria energin per mol är exakt lika med den elektrokemiska potentialskillnaden mellan de två regionerna.

Motstridiga terminologier

Det är vanligt inom elektrokemi och solid-state fysik att diskutera både den kemiska potentialen och den elektrokemiska potentialen hos elektronerna . I de två fälten byts dock definitionerna av dessa två termer ibland. Inom elektrokemi är den elektrokemiska potentialen hos elektroner (eller någon annan art) den totala potentialen, inklusive både den (inre, icke -elektriska) kemiska potentialen och den elektriska potentialen, och är per definition konstant över en enhet i jämvikt, medan den kemiska potentialen för elektroner är lika med den elektrokemiska potentialen minus den lokala elektriska potentialenergin per elektron. I solid-state fysik är definitionerna normalt kompatibla med detta, men ibland byts definitionerna.

Denna artikel använder elektrokemiska definitioner.

Definition och användning

Generellt sett är elektrokemisk potential det mekaniska arbetet som utförs för att föra 1 mol av en jon från ett standardtillstånd till en specifik koncentration och elektrisk potential . Enligt IUPAC -definitionen är det ämnets partiella molära Gibbs -energi vid den angivna elektriska potentialen, där ämnet befinner sig i en specificerad fas. Elektrokemisk potential kan uttryckas som

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

var:

μ _i är den elektrokemiska potentialen hos arter i , i J / mol,

μ _i är den kemiska potentialen av de arter i , i J / mol,

z _i är valensen (laddning) för jonen i , ett dimensionslöst heltal,

F är Faraday -konstanten , i C/mol,

Φ är den lokala elektrostatiska potentialen, i V.

I specialfallet med en oladdad atom, z _i  = 0, och så μ _i  =  μ _i .

Elektrokemisk potential är viktig i biologiska processer som involverar molekylär diffusion över membran, inom elektroanalytisk kemi och industriella tillämpningar som batterier och bränsleceller. Det representerar en av de många utbytbara formerna av potentiell energi genom vilken energi kan sparas .

I cellmembran är den elektrokemiska potentialen summan av den kemiska potentialen och membranpotentialen .

Felaktig användning

Uttrycket elektrokemisk potential används ibland för att betyda en elektrodpotential (antingen av en korroderande elektrod, en elektrod med en icke-noll nettoreaktion eller ström eller en elektrod vid jämvikt). I vissa sammanhang kallas elektrodpotentialen för korroderande metaller "elektrokemisk korrosionspotential", som ofta förkortas som ECP, och ordet "korrosion" utelämnas ibland. Denna användning kan leda till förvirring. De två mängderna har olika betydelser och olika dimensioner: dimensionen för den elektrokemiska potentialen är energi per mol medan elektrodpotentialen är spänning (energi per laddning).

Se även

• Nernst ekvation
• Fermi -nivå
• Elektrokemisk gradient
• Membranpotential
• Koncentrationscell
• Poisson – Boltzmann ekvation

Referenser

externa länkar

• Elektrokemisk potential- föreläsningsanteckningar från University of Illinois i Urbana-Champaign