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電気化学ポテンシャルと熱力学的平衡

1900
  • Josiah Willard Gibbs
  • E. A. Guggenheim
Researcher measuring electrochemical potential in a laboratory setting, physical chemistry.

(画像はイメージです)

システムでは 熱力学 平衡、 電気化学ポテンシャル、任意の荷電種 `i` は、すべての相で均一でなければなりません。勾配が存在する場合 ([latex]nabla bar{mu}_i neq 0[/latex])、イオンは自発的に高電位領域から低電位領域に移動し、この勾配が解消されて平衡が再確立されるまで、電流またはフラックスを生成します。

The principle of uniform 電気化学ポテンシャル at equilibrium is a direct consequence of the 熱力学第二法則, 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.

この動き、すなわちフラックスは、電気化学ポテンシャルがイオン種がアクセスできるあらゆる場所で一定になるまで続きます。この時点で、イオンにかかる正味の力はゼロになり、それ以上の正味の動きはなくなります。この平衡は静的ではなく動的です。個々のイオンは依然として移動する可能性がありますが、一方向へのフラックスは反対方向へのフラックスによって完全にバランスが取れています。

典型的な例として、ドナン平衡が挙げられます。これは、一部のイオンは透過するものの、他のイオン(例えば大きなタンパク質)は透過しない半透膜を介して起こります。透過性の高い小さなイオンは、電気化学ポテンシャルのバランスをとるために膜全体に再分布します。その結果、濃度と電位の両方に不均一な分布が生じ、平衡状態では安定した膜電位が形成されます。この原理は、半導体のpn接合の挙動にも当てはまります。pn接合では、電子と正孔が拡散し、接合部全体で電気化学ポテンシャル(フェルミ準位)が一定になり、内部電場が形成されます。

UNESCO Nomenclature: 2209
物理化学

タイプ

抽象システム

混乱

基礎

使用法

広く普及している

前駆物質

  • クロード・ルイ・ベルトレによる化学平衡の概念
  • 熱力学の法則、特にエントロピーと自由エネルギーの概念
  • ジョサイア・ウィラード・ギブスの化学ポテンシャルの定義
  • ルドルフ・クラウジウスのエントロピーに関する研究

アプリケーション

  • 細胞膜を横切るイオンの流れの方向を予測する
  • 電池の平衡電圧を決定する(起電力)
  • 電極-電解質界面(電気二重層)における電荷分布のモデリング
  • 半導体pn接合の平衡状態における挙動の理解
  • 電気化学センサーの設計

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

  • self-regulating osmotic power generators that maintain optimal potential gradients
  • smart fertilizers that release nutrients in response to soil electrochemical equilibrium shifts
  • bioreactors that optimize microbial growth by maintaining a constant electrochemical environment
  • passive atmospheric water harvesters using materials with engineered potential gradients
  • ion-gradient-based logic gates for ‘wet’ computing systems
  • medical diagnostic tools that detect disease states by measuring deviations from electrochemical equilibrium in tissues
  • waste remediation systems that use potential gradients to separate and sequester pollutants
  • dynamic camouflage materials that change color by controlling ion distribution
関連: 熱力学 equilibrium, ion flux, gradient, 第二法則 of thermodynamics, gibbs free energy, donnan equilibrium, spontaneous process, electrodiffusion.

歴史的背景

電気化学ポテンシャルと熱力学的平衡

1895
1895
1896
1900
1900
1900
1900
1890
1895
1895
1899
1900
1900
1900
1900

(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

10年目 周年

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