Potenziale elettrochimico ed equilibrio termodinamico
1900
- Josiah Willard Gibbs
- E. A. Guggenheim
In un sistema a termodinamico equilibrio, l potenziale elettrochimico, [latex]bar{mu}_i[/latex], per qualsiasi specie carica `i` data, deve essere uniforme in tutte le fasi. Se esiste un gradiente ([latex]nabla bar{mu}_i neq 0[/latex]), gli ioni si sposteranno spontaneamente dalle regioni a potenziale più alto a quelle a potenziale più basso, creando una corrente o un flusso, finché questo gradiente non viene eliminato e l'equilibrio non viene ristabilito.
The principle of uniform electrochemical potential at equilibrium is a direct consequence of the Second Law of Thermodynamics, 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.
Questo movimento, o flusso, continua finché il potenziale elettrochimico non è costante ovunque accessibile alla specie. A questo punto, la forza netta sugli ioni è zero e non c'è ulteriore movimento netto. Questo equilibrio è dinamico, non statico; i singoli ioni possono ancora muoversi, ma il flusso in una direzione è perfettamente bilanciato dal flusso nella direzione opposta.
Un esempio classico è l'equilibrio di Donnan, che si verifica attraverso una membrana semipermeabile permeabile ad alcuni ioni ma non ad altri (come le proteine di grandi dimensioni). Gli ioni piccoli e permeabili si ridistribuiscono attraverso la membrana per bilanciare i loro potenziali elettrochimici. Ciò si traduce in una distribuzione non uniforme sia della concentrazione che del potenziale elettrico, creando un potenziale di membrana stabile all'equilibrio. Questo stesso principio governa il comportamento delle giunzioni pn nei semiconduttori, dove elettroni e lacune diffondono fino a quando il potenziale elettrochimico (livello di Fermi) non è costante attraverso la giunzione, creando un campo elettrico interno.
UNESCO Nomenclature: 2209
- Chimica fisica
Precursori
- il concetto di equilibrio chimico di claude louis berthollet
- le leggi della termodinamica, in particolare il concetto di entropia ed energia libera
- La definizione di potenziale chimico di Josiah Willard Gibbs
- L'opera di Rudolf Clausius sull'entropia
Applicazioni
- prevedere la direzione del flusso di ioni attraverso le membrane cellulari
- determinazione della tensione di equilibrio di una batteria (forza elettromotrice)
- modellazione della distribuzione della carica alle interfacce elettrodo-elettrolita (doppio strato elettrico)
- comprendere il comportamento della giunzione pn dei semiconduttori all'equilibrio
- progettazione di sensori elettrochimici
Idee e potenziali innovazioni
A causa dell'eliminazione del traffico generato dai bot, che attualmente supera i 40.000 al giorno, questo contenuto è riservato ai membri della community.
> Accedi O > Registrati L'accesso a questo contenuto, così come a tutti gli altri contenuti e strumenti riservati, è (100% gratuito).
Argomenti correlati: equilibrio termodinamico, flusso ionico, gradiente, seconda legge della termodinamica, energia libera di Gibbs, equilibrio di Donnan, processo spontaneo, elettrodiffusione.