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电化学势基本方程

1930
  • E. A. Guggenheim
物理化学中测量电化学势的实验室实验。

(图片仅供参考)

电化学势,[latex]\bar{\mu}_i[/latex],用于量化系统中带电物种`i`的总能量。它将化学势,[latex]\mu_i[/latex](考虑浓度和固有性质)与静电势能,[latex]z_i F \phi[/latex]相结合。 其计算公式为:[latex]\bar{\mu}_i = \mu_i + z_i F \phi[/latex],其中[latex]z_i[/latex]为离子的电荷量,[latex]F[/latex]为法拉第常数,[latex]phi[/latex]为局部电势。.

电化学势的概念是物理化学的基石,它将化学势的概念延伸至涉及带电粒子和电场的体系。其控制方程 \bar{\mu}_i = \mu_i + z_i F \phi[/latex] 优雅地将化学驱动力与电驱动力融合为单一量。 热力学 化学势。首项[latex]\mu_i[/latex]即化学势,代表向系统添加一摩尔物种`i`时伴随的能量变化,该值综合考虑浓度、温度和压力等因素。它是高浓度向低浓度扩散的驱动力。.

第二项[latex]z_i F \phi[/latex]代表摩尔静电势能。其中,[latex]z_i[/latex]是离子的无量纲整数电荷(例如[latex]Ca^{2+}[/latex]为+2), [latex]F[/latex]为法拉第常数(约96,485 C/mol),即一摩尔电子的电荷量,[latex]\phi[/latex]为局部电势(伽伐尼电势)。该项量化了在局部电场中移动一摩尔离子所需的功。.

从根本上讲,电化学势是物种`i`的偏摩尔吉布斯自由能,可表示为[latex]\bar{mu}_i = (\frac{\partial G}{\partial n_i})_{T,P,n_{j\neq i}}[/latex]。这意味着它代表当向系统添加一摩尔该物种时可提取的总功。 两点间的电化学势差决定了该离子的自发运动方向,涵盖沿浓度梯度扩散与沿电场漂移两种机制。.

UNESCO Nomenclature: 2209
- 物理化学

类型

抽象系统

中断

基础

用法

广泛使用

前体

  • 约西亚·威拉德·吉布斯关于化学势与吉布斯自由能的研究
  • Michael Faraday’s laws of 电解 and the concept of the faraday constant
  • 瓦尔特·能斯特对...的发展 内斯特 方程式
  • 经典热力学和静电学的发展

应用程序

  • 电池和燃料电池
  • 电镀与腐蚀科学
  • 半导体物理学(费米能级)
  • 神经科学(神经冲动)
  • 细胞生物能量学(ATP合成)

专利:

NA

潜在创新理念

  • 用于有针对性水净化的离子选择性智能膜
  • 通过实时跟踪离子通量来测量代谢活动的生物集成传感器
  • 利用电化学电位梯度将修复离子引导至损伤部位的自修复材料
  • energy harvesting devices that capture potential differences across atmospheric layers
  • 神经形态计算 chips that use ion gradients instead of electron flow
  • 根据细胞膜电位的变化释放药物的先进药物输送系统
  • 通过操纵地下离子梯度增强地热能提取
  • 由工程电化学电位差驱动的直接大气二氧化碳捕获系统
相关概念:电化学势、化学势、静电势、法拉第常数、吉布斯自由能、能斯特方程、电化学、离子。.

历史背景

电化学势基本方程

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1930
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1932

(如果日期未知或不相关,例如“流体力学”,则提供其显著出现的近似估计)

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