Elektrohemijski potencijal

U elektrohemiji, elektrohemijski potencijal (ECP), μ, je termodinamička mjera hemijskog potencijala koji ne izostavlja doprinos elektrostatske energije. Elektrohemijski potencijal se izražava u jedinici džul/mol.

Uvod

Svaka hemijska vrsta (naprimjer, "molekule vode", "ioni natrija", "elektroni" itd.) ima elektrohemijski potencijal (količinu sa jedinicama energije) u bilo kojoj datoj tački u prostoru, što predstavlja kako lahko ili teško je dodati više te vrste na tu lokaciju. Ako je moguće, vrsta će se preseliti iz područja sa većim u područja sa nižim elektrohemijskim potencijalom; u ravnoteži, elektrohemijski potencijal će biti konstantan svuda za svaku vrstu (može imati različitu vrijednost za različite vrste). Naprimjer, ako čaša vode ima natrijeve ione (Na⁺) koji su jednolično rastvoreni u njoj, a električno polje je primijenjeno preko vode, tada će ioni natrija težiti da se povuku električnim poljem prema jednoj strani. Kažemo da ioni imaju potencijalnu električnu energiju i da se kreću da smanje svoju potencijalnu energiju. Isto tako, ako čaša vode ima puno rastvorenog šećera na jednoj strani i ništa na drugoj strani, svaka molekula šećera će nasumično difundirati oko vode, sve dok svuda je jednaka koncentracija šećera. Kažemo da molekule šećera imaju "hemijski potencijal", koji je veći u područjima visoke koncentracije, a molekule se kreću da smanje svoj hemijski potencijal. Ova dva primjera pokazuju da električni potencijal i hemijski potencijal mogu dati isti rezultat: preraspodjela hemijskih vrsta. Stoga ih ima smisla kombinovati u jedan "potencijal", "elektrohemijski potencijal", koji može direktno dati "neto" preraspodjelu, uzimajući u obzir "i jedno i drugo".

Lahko je (u principu) izmjeriti da li dvije regije (naprimjer, dvije čaše vode) imaju isti elektrohemijski potencijal za određenu hemijsku vrstu (naprimjer, molekula rastvorene tvari): Dozvoli li se vrsti da se slobodno kreće natrag i naprijed između dva regiona (naprimjer, poveže li ih sa polupropusnom membranom koja propušta samo tu vrstu). Ako je hemijski potencijal isti u dvije regije, vrsta će se povremeno kretati naprijed-nazad između dva regiona, ali u prosjeku ima isto toliko kretanja u jednom smjeru kao i u drugom, a neto migracija je nula (ovo je zvana "difuzna ravnoteža"). Ako su hemijski potencijali ova dva regiona različiti, više molekula će se kretati u niži hemijski potencijal nego u drugom pravcu.

Štaviše, kada "ne postoji" difuzna ravnoteža, tj. kada postoji tendencija da molekule difunduju iz jednog regiona u drugi, tada postoji određena slobodna energija koju oslobađa svaka mreža - difuzna molekula. Ova energija, koja se ponekad može iskoristiti (jednostavan primjer je koncentracijska ćelija), i slobodna energija po molu je tačno jednaka razlici elektrohemijskog potencijala između dva regiona.

Konfliktne terminologije

Također pogledajte: Fermi nivo

U elektrohemiji i fizici čvrstog stanja uobičajeno je raspravljati i o hemijskom potencijalu i o elektrohemijskom potencijalu elektrona. Međutim, u ova dva polja, definicije ova dva pojma se ponekad zamjenjuju. U elektrohemiji, elektrohemijski potencijal elektrona (ili bilo koje druge vrste) je ukupni potencijal, uključujući i (unutarnji, neelektrični) hemijski potencijal i električni potencijal, i po definiciji je konstantan na uređaju u ravnoteži, dok hemijski potencijal elektrona jednak je elektrohemijskom potencijalu minus lokalna električna potencijalna energija po elektronu.^[1] U fizici čvrstog stanja, definicije su obično kompatibilne s ovim,^[2] but occasionallyŠablon:Hsp^[3] definicije su zamijenjene.

Ovaj članak koristi definicije elektrohemije.

Definicija i upotreba

U generičkom smislu, elektrohemijski potencijal je mehanički rad izvršen u dovođenju 1 mola iona iz standardnog stanja do određene koncentracije i električnog potencijala. Prema IUPAC-ovoj definiciji,^[4] to je parcijalna molarna Gibbsova energija supstance pri specificiranom električnom potencijalu, gdje je supstanca u određenoj fazi. Elektrohemijski potencijal se može izraziti kao

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

• μ_i = elektrohemijski potencijal vrste i, u J/mol,
• μ_i = hemijski potencijal vrste i, u J/mol,
• z_i = valencija (naboj) iona i, bezdimenzijski cijeli broj,
• F = Faradayeva konstanta, u C/mol,
• Φ = lokalni elektrostatički potencijal, u V.

U posebnom slučaju nenabijenog atoma, z_i = 0, i tako μ_i  = μ_i.

Elektrohemijski potencijal je važan u biološkim procesima koji uključuju molekulsku difuziju kroz membrane, u elektroanalitičkoj hemiji i industrijskim aplikacijama kao što su baterije i gorivne ćelije. Ona predstavlja jedan od mnogih izmjenjivih oblika potencijalne energije pomoću kojih se energija može očuvati.

U ćelijskim membranama, elektrohemijski potencijal je zbir hemijskog i membranskog potencijala.

Neispravna upotreba

Termin elektrohemijski potencijal se ponekad koristi za označavanje potencijala elektrode (bilo korodirajuće elektrode, elektrode sa nenultom reakcijom ili strujom, ili elektrode u ravnoteži). U nekim kontekstima, potencijal elektrode korodirajućih metala naziva se "elektrohemijski potencijal korozije",^[5] koji se često skraćuje kao ECP, a riječ "korozija" se ponekad izostavlja. Ova upotreba može dovesti do zabune. Dvije veličine imaju različita značenja i različite dimenzije: dimenzija elektrohemijskog potencijala je energija po molu, dok je dimenzija elektrodnog potencijala napon (energija po naelektrisanju).

Također pčogledajte

• Koncentraciona ćelija
• Elektrohemijski gradijent
• Fermi nivo
• Membanski potencijal
• Nernstova jednadžba
• Poisson-Boltzmannova jednadžba
• Potencijal smanjenja
• Standardni elektrodni potencijal

Reference

1. Bard; Faulkner. "Section 2.2.4(a),4-5". Electrochemical Methods (2nd izd.).
2. Madelung, Otfried (1978). Introduction to solid-state theory. str. 198. ISBN 9783540604433.
3. Ashcroft; Mermin. Solid State Physics. str. 593.
4. IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "Electrochemical potential". doi:10.1351/goldbook.E01945.
5. Grover, D. J. (1996). Modeling water chemistry and electrochemical corrosion potential in boiling water reactors (PDF) (Thesis). Massachusetts Institute of Technology.

Vanjski linkovi

• Electrochemical potential Arhivirano 29. 4. 2009. na Wayback Machine – lecture notes from University of Illinois at Urbana-Champaign