L'equazione fondamentale del potenziale elettrochimico
Il potenziale elettrochimico, [latex]\bar{\mu}_i[/latex], quantifica l'energia totale di una specie carica `i` in un sistema. Combina il potenziale chimico, [latex]\mu_i[/latex], che tiene conto della concentrazione e delle proprietà intrinseche, con l'energia potenziale elettrostatica, [latex]z_i F \phi[/latex]. La formula è [latex]\bar{\mu}_i = \mu_i + z_i F \phi[/latex], dove [latex]z_i[/latex] è la carica dello ione, [latex]F[/latex] è la costante di Faraday e [latex]phi[/latex] è il potenziale elettrico locale.
Il concetto di potenziale elettrochimico è una pietra miliare della chimica fisica, che estende l'idea di potenziale chimico a sistemi che coinvolgono specie cariche e campi elettrici. L'equazione di governo, [latex]\bar{\mu}_i = \mu_i + z_i F \phi[/latex], fonde elegantemente le forze motrici chimiche ed elettriche in un'unica quantità termodinamica. Il primo termine, [latex]\mu_i[/latex], è il potenziale chimico, che rappresenta la variazione di energia associata all'aggiunta di una mole di specie `i' a un sistema, considerando fattori quali concentrazione, temperatura e pressione. È la forza trainante della diffusione da un'alta a una bassa concentrazione.
Il secondo termine, [latex]z_i F \phi[/latex], rappresenta l'energia potenziale elettrostatica molare. Qui, [latex]z_i[/latex] è la carica intera adimensionale dello ione (ad esempio, +2 per [latex]Ca^{2+}[/latex]), [latex]F[/latex] è la costante di Faraday (circa 96.485 C/mol), che rappresenta la carica di una mole di elettroni, e [latex]\phi[/latex] è il potenziale elettrico locale (potenziale di Galvani). Questo termine quantifica il lavoro necessario per spostare una mole di ioni contro il campo elettrico locale.
Fondamentalmente, il potenziale elettrochimico è l'energia libera molare parziale di Gibbs della specie `i', espressa come [latex]\bar{mu}_i = (\frac{parziale G}{parziale n_i})_{T,P,n_{j\neq i}}[/latex]. Ciò significa che rappresenta il lavoro totale che può essere estratto quando una mole della specie viene aggiunta al sistema. La differenza di potenziale elettrochimico tra due punti detta la direzione del movimento spontaneo di quello ione, che comprende sia la diffusione lungo un gradiente di concentrazione sia la deriva lungo un campo elettrico.
UNESCO Nomenclature: 2209
- Chimica fisica
Precursori
- Il lavoro di Josiah Willard Gibbs sul potenziale chimico e sull'energia libera di Gibbs
- Le leggi dell'elettrolisi di Michael Faraday e il concetto di costante di Faraday
- Lo sviluppo dell'equazione di Nernst da parte di Walther Nernst
- lo sviluppo della termodinamica classica e dell'elettrostatica
Applicazioni
- batterie e celle a combustibile
- scienza della galvanica e della corrosione
- fisica dei semiconduttori (livello di Fermi)
- neuroscienze (impulsi nervosi)
- bioenergetica cellulare (sintesi di atp)
Idee e potenziali innovazioni
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