Potencial eletroquímico - Electrochemical potential

Em eletroquímica , o potencial eletroquímico ( ECP ), μ , é uma medida termodinâmica do potencial químico que não omite a contribuição de energia da eletrostática . O potencial eletroquímico é expresso na unidade de J / mol .

Introdução

Cada espécie química (por exemplo, "moléculas de água", "íons de sódio", "elétrons", etc.) tem um potencial eletroquímico (uma quantidade com unidades de energia) em qualquer ponto do espaço, o que representa o quão fácil ou difícil isso é adicionar mais dessa espécie a esse local. Se possível, uma espécie se moverá de áreas com maior potencial eletroquímico para áreas com menor potencial eletroquímico; em equilíbrio, o potencial eletroquímico será constante em todos os lugares para cada espécie (pode ter um valor diferente para espécies diferentes). Por exemplo, se um copo de água tiver íons de sódio (Na + ) dissolvidos uniformemente nele e um campo elétrico for aplicado na água, os íons de sódio tenderão a ser puxados pelo campo elétrico para um lado. Dizemos que os íons têm energia potencial elétrica e estão se movendo para diminuir sua energia potencial. Da mesma forma, se um copo d'água tiver muito açúcar dissolvido de um lado e nenhum do outro, cada molécula de açúcar se espalhará aleatoriamente pela água, até que haja concentração igual de açúcar em todos os lugares. Dizemos que as moléculas de açúcar têm um " potencial químico ", que é maior nas áreas de alta concentração, e as moléculas se movem para diminuir seu potencial químico. Esses dois exemplos mostram que um potencial elétrico e um potencial químico podem dar o mesmo resultado: Uma redistribuição das espécies químicas. Portanto, faz sentido combiná-los em um único "potencial", o potencial eletroquímico , que pode dar diretamente a redistribuição líquida levando ambos em consideração.

É (em princípio) fácil medir se duas regiões (por exemplo, dois copos de água) têm o mesmo potencial eletroquímico para uma determinada espécie química (por exemplo, uma molécula de soluto): Permita que as espécies se movam livremente para trás e entre as duas regiões (por exemplo, conecte-as com uma membrana semipermeável que permite a passagem apenas dessa espécie). Se o potencial químico é o mesmo nas duas regiões, as espécies irão ocasionalmente se mover para frente e para trás entre as duas regiões, mas em média há tanto movimento em uma direção quanto na outra, e há migração líquida zero (isto é denominado "equilíbrio difusivo"). Se os potenciais químicos das duas regiões forem diferentes, mais moléculas se moverão para o potencial químico inferior do que na outra direção.

Além disso, quando não é não equilíbrio difusiva, ou seja, quando há uma tendência para as moléculas de se difundir a partir de uma região para outra, em seguida, há uma certa energia livre libertada por cada molécula de difusão de líquido. Essa energia, que às vezes pode ser aproveitada (um exemplo simples é uma célula de concentração ), e a energia livre por mol é exatamente igual à diferença de potencial eletroquímico entre as duas regiões.

Terminologias conflitantes

É comum em eletroquímica e física do estado sólido discutir o potencial químico e o potencial eletroquímico dos elétrons . No entanto, nos dois campos, as definições desses dois termos às vezes são trocadas. Na eletroquímica, o potencial eletroquímico dos elétrons (ou de qualquer outra espécie) é o potencial total, incluindo o potencial químico (interno, não elétrico) e o potencial elétrico, e é, por definição, constante em um dispositivo em equilíbrio, enquanto o potencial químico de elétrons é igual ao potencial eletroquímico menos a energia potencial elétrica local por elétron. Na física do estado sólido, as definições são normalmente compatíveis com isso, mas ocasionalmente as definições são trocadas.

Este artigo usa as definições de eletroquímica.

Definição e uso

Em termos genéricos, potencial eletroquímico é o trabalho mecânico realizado para trazer 1 mol de um íon de um estado padrão para uma concentração e potencial elétrico especificados . De acordo com a definição da IUPAC , é a energia de Gibbs molar parcial da substância no potencial elétrico especificado, onde a substância está em uma fase especificada. O potencial eletroquímico pode ser expresso como

Onde:

μ i é o potencial eletroquímico da espécie i , em J / mol,
μ i é o potencial químico da espécie i , em J / mol,
z i é a valência (carga) do íon i , um inteiro adimensional,
F é a constante de Faraday , em C / mol,
Φ é o potencial eletrostático local, em V.

No caso especial de um átomo sem carga, z i  = 0 e, portanto, μ i  =  μ i .

O potencial eletroquímico é importante em processos biológicos que envolvem difusão molecular através de membranas, em química eletroanalítica e em aplicações industriais, como baterias e células de combustível. Ele representa uma das muitas formas intercambiáveis ​​de energia potencial por meio das quais a energia pode ser conservada .

Nas membranas celulares , o potencial eletroquímico é a soma do potencial químico e do potencial de membrana .

Uso incorreto

O termo potencial eletroquímico é algumas vezes usado para significar um potencial de eletrodo (seja de um eletrodo em corrosão, um eletrodo com uma corrente ou reação líquida diferente de zero ou um eletrodo em equilíbrio). Em alguns contextos, o potencial do eletrodo de metais em corrosão é chamado de "potencial de corrosão eletroquímica", que geralmente é abreviado como ECP, e a palavra "corrosão" às vezes é omitida. Esse uso pode causar confusão. As duas grandezas têm significados e dimensões diferentes: a dimensão do potencial eletroquímico é a energia por mol, enquanto a do potencial do eletrodo é a tensão (energia por carga).

Veja também

Referências

links externos