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L'équation fondamentale du potentiel électrochimique

1930
  • E. A. Guggenheim
Expérience de laboratoire mesurant le potentiel électrochimique en chimie physique.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

Le potentiel électrochimique, [latex]\bar{\mu}_i[/latex], quantifie l'énergie totale d'une espèce chargée `i` dans un système. Il combine le potentiel chimique, [latex]\mu_i[/latex], qui tient compte de la concentration et des propriétés intrinsèques, avec l'énergie potentielle électrostatique, [latex]z_i F \phi[/latex]. La formule est [latex]\bar{\mu}_i = \mu_i + z_i F \phi[/latex], où [latex]z_i[/latex] est la charge de l'ion, [latex]F[/latex] est la constante de Faraday et [latex]phi[/latex] est le potentiel électrique local.

Le concept de potentiel électrochimique est une pierre angulaire de la chimie physique, qui étend l'idée de potentiel chimique aux systèmes impliquant des espèces chargées et des champs électriques. L'équation directrice, [latex]\bar{\mu}_i = \mu_i + z_i F \phi[/latex], fusionne élégamment les forces motrices chimiques et électriques en une seule et même force. thermodynamique la quantité. Le premier terme, [latex]\mu_i[/latex], est le potentiel chimique, qui représente le changement d'énergie associé à l'ajout d'une mole de l'espèce `i` à un système, compte tenu de facteurs tels que la concentration, la température et la pression. C'est la force motrice de la diffusion d'une concentration élevée à une faible concentration.

Le second terme, [latex]z_i F \phi[/latex], représente l'énergie potentielle électrostatique molaire. Ici, [latex]z_i[/latex] est la charge entière sans dimension de l'ion (par exemple, +2 pour [latex]Ca^{2+}[/latex]), [latex]F[/latex] est la constante de Faraday (environ 96,485 C/mol), qui est la charge d'une mole d'électrons, et [latex]\phi[/latex] est le potentiel électrique local (potentiel de Galvani). Ce terme quantifie le travail nécessaire pour déplacer une mole d'ions contre le champ électrique local.

Fondamentalement, le potentiel électrochimique est l'énergie libre molaire partielle de l'espèce `i`, exprimée comme [latex]\bar{mu}_i = (\frac{\partial G}{\partial n_i})_{T,P,n_{j\neq i}}[/latex]. Cela signifie qu'il représente le travail total qui peut être extrait lorsqu'une mole de l'espèce est ajoutée au système. La différence de potentiel électrochimique entre deux points dicte la direction du mouvement spontané de cet ion, qui englobe à la fois la diffusion le long d'un gradient de concentration et la dérive le long d'un champ électrique.

UNESCO Nomenclature: 2209
- Chimie physique

Taper

Système abstrait

Perturbation

Fondamentaux

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • Travaux de Josiah Willard Gibbs sur le potentiel chimique et l'énergie libre de Gibbs
  • Michael Faraday’s laws of électrolyse and the concept of the faraday constant
  • Le développement par Walther Nernst de la Nernst équation
  • le développement de la thermodynamique et de l'électrostatique classiques

Applications

  • batteries et piles à combustible
  • science de la galvanoplastie et de la corrosion
  • physique des semi-conducteurs (niveau Fermi)
  • neurosciences (influx nerveux)
  • bioénergétique cellulaire (synthèse d'ATP)

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

  • membranes intelligentes sélectives aux ions pour une purification ciblée de l'eau
  • capteurs bio-intégrés qui mesurent l'activité métabolique en suivant le flux ionique en temps réel
  • matériaux auto-réparateurs qui utilisent des gradients de potentiel électrochimique pour diriger les ions réparateurs vers les sites endommagés
  • energy harvesting devices that capture potential differences across atmospheric layers
  • informatique neuromorphique chips that use ion gradients instead of electron flow
  • systèmes avancés d'administration de médicaments qui libèrent des médicaments en fonction des changements du potentiel de la membrane cellulaire
  • extraction d'énergie géothermique améliorée par la manipulation des gradients ioniques souterrains
  • systèmes de capture directe du CO2 atmosphérique pilotés par des différences de potentiel électrochimiques artificielles
Voir aussi : potentiel électrochimique, potentiel chimique, potentiel électrostatique, constante de Faraday, énergie libre de Gibbs, équation de Nernst, électrochimie, ion.

Contexte historique

L'équation fondamentale du potentiel électrochimique

1926
1927
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1930
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1931
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1931
1932

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

10e année anniversaire

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