В электрохимии электрохимический потенциал ( ECP ), μ , является термодинамической мерой химического потенциала , которая не исключает энергетического вклада электростатики . Электрохимический потенциал выражается в единицах Дж / моль .
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 равномерно растворены ионы натрия (Na + ), и к воде приложено электрическое поле , то 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 повсюду не будет одинаковой концентрации сахара. 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.
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 меняются местами.
В этой статье используются определения электрохимии.
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 парциальная молярная энергия Гиббса вещества при заданном электрическом потенциале, когда вещество находится в определенной 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, 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 .
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 сокращают как 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).
