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Potencial electroquímico y equilibrio termodinámico

1900
  • Josiah Willard Gibbs
  • E. A. Guggenheim
Investigador que mide el potencial electroquímico en un entorno de laboratorio, química física.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

En un sistema en termodinámica equilibrio, el electrochemical potential, [latex]bar{mu}_i[/latex], para cualquier especie cargada `i` dada debe ser uniforme en todas las fases. Si existe un gradiente ([latex]nabla bar{mu}_i neq 0[/latex]), los iones se moverán espontáneamente de regiones de mayor potencial a regiones de menor potencial, creando una corriente o flujo, hasta que este gradiente se elimine y se restablezca el equilibrio.

The principle of uniform electrochemical potential at equilibrium is a direct consequence of the Segunda ley de la termodinámica, which states that a system will spontaneously evolve towards a state of minimum Gibbs free energy. Since the electrochemical potential is the partial molar Gibbs free energy for a charged species, any gradient in this potential represents an opportunity for the system’s total free energy to decrease through the movement of that species.

Este movimiento, o flujo, continúa hasta que el potencial electroquímico se mantiene constante en todas partes accesibles a la especie. En este punto, la fuerza neta sobre los iones es cero y no hay más movimiento neto. Este equilibrio es dinámico, no estático; los iones individuales pueden seguir moviéndose, pero el flujo en una dirección está perfectamente equilibrado por el flujo en la dirección opuesta.

Un ejemplo clásico es el equilibrio de Donnan, que se produce a través de una membrana semipermeable permeable a algunos iones, pero no a otros (como las proteínas grandes). Los iones pequeños y permeables se redistribuyen a través de la membrana para equilibrar sus potenciales electroquímicos. Esto resulta en una distribución desigual tanto de la concentración como del potencial eléctrico, creando un potencial de membrana estable en equilibrio. Este mismo principio rige el comportamiento de las uniones pn en semiconductores, donde los electrones y los huecos se difunden hasta que el potencial electroquímico (nivel de Fermi) se mantiene constante a través de la unión, creando un campo eléctrico interno.

UNESCO Nomenclature: 2209
- Química física

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Fundacional

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • El concepto de equilibrio químico por Claude Louis Berthollet
  • las leyes de la termodinámica, particularmente el concepto de entropía y energía libre
  • Definición de potencial químico de Josiah Willard Gibbs
  • La obra de Rudolf Clausius sobre la entropía

Aplicaciones

  • Predecir la dirección del flujo de iones a través de las membranas celulares
  • determinar el voltaje de equilibrio de una batería (fuerza electromotriz)
  • Modelado de la distribución de carga en interfaces electrodo-electrolito (doble capa eléctrica)
  • Comprensión del comportamiento de la unión pn de semiconductores en equilibrio
  • diseño de sensores electroquímicos

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • self-regulating osmotic power generators that maintain optimal potential gradients
  • Fertilizantes inteligentes que liberan nutrientes en respuesta a los cambios en el equilibrio electroquímico del suelo.
  • bioreactors that optimize microbiano growth by maintaining a constant electrochemical environment
  • recolectores pasivos de agua atmosférica que utilizan materiales con gradientes de potencial diseñados
  • ion-gradient-based logic gates for ‘wet’ computing systems
  • Herramientas de diagnóstico médico que detectan estados patológicos midiendo las desviaciones del equilibrio electroquímico en los tejidos.
  • Sistemas de remediación de residuos que utilizan gradientes potenciales para separar y secuestrar contaminantes.
  • Materiales de camuflaje dinámico que cambian de color al controlar la distribución de iones.
Relacionado con: termodinámica equilibrium, ion flux, gradient, segunda ley of thermodynamics, gibbs free energy, donnan equilibrium, spontaneous process, electrodiffusion.

Contexto histórico

Potencial electroquímico y equilibrio termodinámico

1895
1895
1896
1900
1900
1900
1900
1890
1895
1895
1899
1900
1900
1900
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(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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