Электрохимический потенциал — термодинамическая функция в электрохимии, характеризующая состояние заряженной частицы (иона, электрона) в фазе, находящейся в электрическом поле. Электрохимический потенциал представляет собой сумму химического потенциала частицы и её электростатической энергии.
Понятие электрохимического потенциала используется в электрохимии, физике полупроводников и биологии при описании процессов переноса заряда, фазовых равновесий и химических реакций с участием ионов.
Единица измерения в системе СИ — Джоуль на моль (Дж/моль).
Термин был предложен в 1929 году английским химиком .
Определение В общем случае электрохимический потенциал частицы сорта определяется как частная производная энергии Гиббса системы по количеству частиц этого сорта при постоянных температуре , давлении и количествах всех остальных частиц :
Формально электрохимический потенциал принято разбивать на две составляющие: химическую и электрическую:
где:
— электрохимический потенциал иона (Дж/моль); — химический потенциал иона (Дж/моль), учитывающий энергию взаимодействия с окружением без учета внешнего электрического поля; — валентность (зарядовое число) иона (безразмерная величина, например, +1 для Na, -1 для Cl); — постоянная Фарадея (приблизительно 96 485 Кл/моль); — локальный электростатический потенциал (В).
Для незаряженных частиц ( = 0) электрохимический потенциал совпадает с химическим: =
Физический смысл Электрохимический потенциал характеризует полную энергию, необходимую для добавления одного моля заряженных частиц в данную точку системы при постоянных давлении и температуре.
Частицы стремятся переходить из областей с высоким электрохимическим потенциалом в области с низким. Процесс переноса продолжается до тех пор, пока электрохимические потенциалы во всех доступных частях системы не выровняются.
Движущие силы На частицу в растворе или в твёрдом теле могут действовать две силы:
Градиент концентрации (химическая сила): частицы стремятся перемещаться из области высокой концентрации в область низкой (стремление выровнять химический потенциал ). Электрическое поле (электрическая сила): заряженные частицы притягиваются зарядами противоположного знака и отталкиваются одноименными зарядами (стремление минимизировать электрическую потенциальную энергию ).
Электрохимический потенциал объединяет эти два фактора. Равновесие наступает, когда градиент электрохимического потенциала равен нулю,
даже если химический и электрический потенциалы по отдельности не равны константе.
Применение
Условие равновесия Условием термодинамического равновесия для распределения заряженных частиц между двумя фазами (или двумя точками пространства) является равенство их электрохимических потенциалов:
Раскрывая определение, получаем уравнение, связывающее разность концентраций и разность электрических потенциалов (напряжение):
Электрохимические цепи Изменение электрохимического потенциала при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 равно максимальной полезной работе, которую может совершить система (за вычетом работы расширения).
Для электронов в твердом теле электрохимический потенциал соответствует энергии Ферми. Показания вольтметра , подключенного к двум клеммам электрохимической ячейки или проводника, соответствуют именно разности электрохимических потенциалов электронов на этих клеммах, деленной на заряд электрона (точнее, на постоянную Фарадея , если речь идет о мольных величинах).
Здесь — это мольный электрохимический потенциал (то есть на 1 моль электронов), а — постоянная Фарадея (приблизительно 96 485 Кл/моль), которая является зарядом одного моля электронов.
См. также
Химический потенциал Энергия Ферми Электродный потенциал Электрохимия Энергия Гиббса
Примечания
Литература
Категория:Термодинамика Категория:Электрохимия