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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
実験室で電気化学ポテンシャルを測定する研究者。.

(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 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.

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
  • determining the equilibrium voltage of a battery (electromotive force)
  • 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

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関連キーワード:熱力学的平衡、イオン流束、勾配、熱力学第二法則、ギブズ自由エネルギー、ドナン平衡、自発過程、電気拡散。

歴史的背景

電気化学ポテンシャルと熱力学的平衡

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(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。)

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