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电化学势和热力学平衡

1900
  • Josiah Willard Gibbs
  • E. A. Guggenheim
研究人员在实验室环境中测量电化学势,物理化学。

(图片仅供参考)

创新世界 热力学 equilibrium, the electrochemical potential, [latex]bar{mu}_i[/latex], for any given charged species `i` must be uniform throughout all phases. If a gradient exists ([latex]nabla bar{mu}_i neq 0[/latex]), ions will spontaneously move from regions of higher potential to lower potential, creating a current or flux, until this gradient is eliminated and equilibrium is re-established.

The principle of uniform electrochemical potential at equilibrium is a direct consequence of the 热力学第二定律, 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.

这种运动,或称通量,会持续到电化学势在该物质所能触及的所有地方都保持恒定。此时,作用于离子的净力为零,不再发生净运动。这种平衡是动态的,而非静态的;单个离子可能仍会移动,但一个方向的通量会与相反方向的通量完美平衡。

一个典型的例子是唐南平衡,它发生在半透膜上,该膜对某些离子可渗透,但对其他离子则不渗透(例如大分子蛋白质)。较小的可渗透离子会在膜上重新分布,以平衡其电化学势。这导致浓度和电势分布不均,从而在平衡状态下形成稳定的膜电位。同样的原理也支配着半导体中pn结的行为,其中电子和空穴不断扩散,直到结上的电化学势(费米能级)保持恒定,从而形成内建电场。

UNESCO Nomenclature: 2209
– Physical chemistry

类型

抽象系统

中断

Foundational

用法

广泛使用

前体

  • 克劳德·路易·贝托莱的化学平衡概念
  • 热力学定律,特别是熵和自由能的概念
  • josiah willard gibbs’s definition of chemical potential
  • rudolf clausius’s work on entropy

应用程序

  • 预测跨细胞膜离子流的方向
  • determining the equilibrium voltage of a battery (electromotive force)
  • 模拟电极-电解质界面(双电层)的电荷分布
  • 了解半导体 pn 结在平衡状态下的行为
  • 设计电化学传感器

专利:

NA

潜在创新理念

  • self-regulating osmotic power generators that maintain optimal potential gradients
  • 响应土壤电化学平衡变化释放养分的智能肥料
  • bioreactors that optimize 微生物 growth by maintaining a constant electrochemical environment
  • 使用具有工程电位梯度的材料的被动大气水收集器
  • ion-gradient-based logic gates for ‘wet’ computing systems
  • 通过测量组织中电化学平衡的偏差来检测疾病状态的医疗诊断工具
  • 利用电位梯度分离和封存污染物的废物修复系统
  • 通过控制离子分布改变颜色的动态伪装材料
Related to: 热力学 equilibrium, ion flux, gradient, second law of thermodynamics, gibbs free energy, donnan equilibrium, spontaneous process, electrodiffusion.

历史背景

电化学势和热力学平衡

1895
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1896
1900
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1890
1895
1895
1899
1900
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(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)

第十年 周年纪念日

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