В электрохимии электрохимический потенциал ( ЭХП ), μ , является термодинамической мерой химического потенциала , которая не исключает энергетический вклад электростатики . Электрохимический потенциал выражается в единицах Дж / моль .
Каждый химический вид (например, «молекулы воды», «ионы натрия», «электроны» и т. д.) имеет электрохимический потенциал (количество с единицами энергии) в любой заданной точке пространства, который показывает, насколько легко или сложно добавить больше этого вида в это место. Если это возможно, вид будет перемещаться из областей с более высоким электрохимическим потенциалом в области с более низким электрохимическим потенциалом; в равновесии электрохимический потенциал будет постоянным везде для каждого вида (он может иметь разное значение для разных видов). Например, если в стакане воды ионы натрия (Na + ) растворены равномерно, и через воду приложено электрическое поле , то ионы натрия будут стремиться притягиваться электрическим полем к одной стороне. Мы говорим, что ионы имеют электрическую потенциальную энергию и движутся, чтобы снизить свою потенциальную энергию. Аналогично, если в стакане воды много растворенного сахара с одной стороны и ничего с другой стороны, каждая молекула сахара будет случайным образом диффундировать вокруг воды, пока не будет одинаковой концентрации сахара везде. Мы говорим, что молекулы сахара имеют « химический потенциал », который выше в областях высокой концентрации, и молекулы движутся к снижению своего химического потенциала. Эти два примера показывают, что электрический потенциал и химический потенциал могут оба дать один и тот же результат: перераспределение химических видов. Поэтому имеет смысл объединить их в один «потенциал», электрохимический потенциал , который может напрямую дать чистое перераспределение, принимая во внимание оба .
В принципе, легко измерить, имеют ли две области (например, два стакана воды) одинаковый электрохимический потенциал для определенного химического вида (например, молекулы растворенного вещества): дайте виду свободно перемещаться вперед и назад между двумя областями (например, соедините их полупроницаемой мембраной , которая пропускает только этот вид). Если химический потенциал в двух областях одинаков, вид будет время от времени перемещаться вперед и назад между двумя областями, но в среднем в одном направлении будет столько же движения, сколько и в другом, и будет нулевая чистая миграция (это называется «диффузионным равновесием»). Если химические потенциалы двух областей различны, больше молекул будет перемещаться в сторону более низкого химического потенциала, чем в другом направлении.
Более того, когда нет диффузионного равновесия, т. е. когда есть тенденция молекул диффундировать из одной области в другую, то есть существует определенная свободная энергия, высвобождаемая каждой молекулой, которая диффундирует в чистом виде. 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.
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 любого другого вида) является полным потенциалом, включая как (внутренний, неэлектрический) химический потенциал, так и электрический потенциал, и по определению является постоянным по всему устройству в равновесии, тогда как химический потенциал электронов равен электрохимическому потенциалу за вычетом локальной электрической потенциальной энергии на электрон. [1] В физике твердого тела определения обычно совместимы с этим, [2] но иногда [3] определения меняются местами.
В данной статье используются определения электрохимии.
В общем виде электрохимический потенциал — это механическая работа , совершаемая при переводе 1 моля иона из стандартного состояния в указанную концентрацию и электрический потенциал . Согласно определению ИЮПАК [4], это парциальная молярная энергия Гиббса вещества при указанном электрическом потенциале, где вещество находится в указанной фазе. Электрохимический потенциал можно выразить как
где:
В частном случае незаряженного атома z i = 0, и поэтому μ i = μ i .
Электрохимический потенциал важен в биологических процессах, включающих молекулярную диффузию через мембраны, в электроаналитической химии и промышленных приложениях, 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 .
Термин электрохимический потенциал иногда используется для обозначения электродного потенциала (либо корродирующего электрода, либо электрода с ненулевой суммарной реакцией или током, либо электрода в состоянии равновесия). В некоторых контекстах электродный потенциал корродирующих металлов называется «электрохимическим коррозионным потенциалом» [5] , который часто сокращается до ECP, а слово «коррозия» иногда опускается. Такое использование может привести к путанице. Эти две величины имеют разные значения и разные размерности: размерность электрохимического потенциала — это энергия на моль, тогда как размерность электродного потенциала — это напряжение (энергия на заряд).
