Электрохимиялық потенциал: мағынасы мен қолданылуы
Electrochemical potential
Электрохимиялық потенциал: заттардың термодинамикалық шамасы, энергия үлесін қамтиды. Химиялық потенциалдың өлшем бірлігі – Дж/моль. Тепе-теңдікте энергия бірдей болады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Заттардың қарқынды физикалық қасиеттері
Intensive physical property of substances
Электрохимияда электрохимиялық потенциал (ЭХП) – электростатикалық энергияның үлесін ескере отырып, химиялық потенциалдың термодинамикалық өлшемі. Электрохимиялық потенциал Ж/моль бірлігімен өрнектеледі.
In electrochemistry, the electrochemical potential (ECP), , is a thermodynamic measure of chemical potential that does not omit the energy contribution of electrostatics. Electrochemical potential is expressed in the unit of J/mol.
Кіріспе
Әрбір химиялық түр (мысалы, "су молекулалары", "натрий иондары", "электрондар" сияқты) кез келген кеңістіктегі кез келген нүктеде электрохимиялық потенциалға ие (энергия бірліктерімен өлшенетін шама), ол сол түрдің сол орналасқан жерге қосылуының неғайбыл не қиын екенін көрсетеді. Егер мүмкін болса, түрлер жоғары электрохимиялық потенциалы бар аймақтардан төмен электрохимиялық потенциалы бар аймақтарға өтеді; тепе-теңдік жағдайында электрохимиялық потенциал әр түр үшін барлық жерде тұрақты болады (бірақ әртүрлі түрлер үшін әртүрлі мәнге ие болуы мүмкін). Мысалы, егер судың бір стаканында натрий иондары (Na+) біркелкі еріген болса және суға электр өрісі қолданылса, онда натрий иондары электр өрісінің әсерімен бір жаққа тартылады. Иондарда электр потенциалдық энергия бар және олар осы энергияны төмендету үшін қозғалады. Сол сияқты, егер судың бір бөлігінде көп мөлшерде қант еріген болса, ал екінші бөлігінде болмаса, әрбір қант молекуласы судың ішінде кездейсоқ түрде таралады, қанттың концентрациясы барлық жерде теңелгенше. Қант молекулаларының "химиялық потенциалы" бар деуге болады, ол жоғары концентрациялы аймақтарда жоғарылайды, ал молекулалар химиялық потенциалын төмендету үшін қозғалады. Осы екі мысал электр потенциалы мен химиялық потенциалдың екеуі де бірдей нәтижеге әкелуі мүмкін екенін көрсетеді: химиялық түрлердің қайта бөлінуі. Сондықтан оларды бір "потенциалға" – электрохимиялық потенциалға біріктіру логикалық, ол оларды есепке ала отырып, таза қайта бөлінуді анықтай алады. (Принцип бойынша) екі аймақтың (мысалы, екі стакан су) белгілі бір химиялық түр үшін (мысалы, ерітінді молекуласы) бірдей электрохимиялық потенциалы бар-жоғын өлшеу оңай: түрлерге екі аймақ арасында еркін қозғалуға рұқсат беріңіз (мысалы, оларды тек сол түрді өткізетін жартылай өткізгіш мембранамен қосыңыз). Егер екі аймақтағы химиялық потенциал бірдей болса, түрлер екі аймақ арасында кездейсоқ түрде қозғалады, бірақ орташа алғанда, бір бағыттағы қозғалыс екінші бағыттағы қозғалысқа тең болады және таза көші-қон болмайды (бұл "диффузиялық тепе-теңдік" деп аталады). Егер екі аймақтың химиялық потенциалы әртүрлі болса, көбірек молекулалар төмен химиялық потенциалы бар аймаққа қарай қозғалады. Сонымен қатар, диффузиялық тепе-теңдік болмаған жағдайда, яғни молекулалардың бір аймақтан екінші аймаққа диффузияға бейімделген кезде, әрбір таза диффузиялық молекула белгілі бір мөлшерде еркін энергияны бөліп шығарады. Бұл энергия, кейде қолданылатын (концентрациялық элемент қарапайым мысал), және бір мольге шаққандағы еркін энергия екі аймақ арасындағы электрохимиялық потенциал айырмасына тең.
Each chemical species (for example, "water molecules", "sodium ions", "electrons", etc.) has an electrochemical potential (a quantity with units of energy) at any given point in space, which represents how easy or difficult it is to add more of that species to that location. If possible, a species will move from areas with higher electrochemical potential to areas with lower electrochemical potential; in equilibrium, the electrochemical potential will be constant everywhere for each species (it may have a different value for different species). For example, if a glass of water has sodium ions (Na+) dissolved uniformly in it, and an electric field is applied across the water, then the sodium ions will tend to get pulled by the electric field towards one side. We say the ions have electric potential energy, and are moving to lower their potential energy. Likewise, if a glass of water has a lot of dissolved sugar on one side and none on the other side, each sugar molecule will randomly diffuse around the water, until there is equal concentration of sugar everywhere. We say that the sugar molecules have a "chemical potential", which is higher in the high concentration areas, and the molecules move to lower their chemical potential. These two examples show that an electrical potential and a chemical potential can both give the same result: A redistribution of the chemical species. Therefore, it makes sense to combine them into a single "potential", the electrochemical potential, which can directly give the net redistribution taking both into account. It is (in principle) easy to measure whether or not two regions (for example, two glasses of water) have the same electrochemical potential for a certain chemical species (for example, a solute molecule): Allow the species to freely move back and forth between the two regions (for example, connect them with a semi permeable membrane that lets only that species through). If the chemical potential is the same in the two regions, the species will occasionally move back and forth between the two regions, but on average there is just as much movement in one direction as the other, and there is zero net migration (this is called "diffusive equilibrium"). If the chemical potentials of the two regions are different, more molecules will move to the lower chemical potential than the other direction. Moreover, when there is not diffusive equilibrium, i. e., when there is a tendency for molecules to diffuse from one region to another, then there is a certain free energy released by each net diffusing molecule. This energy, which can sometimes be harnessed (a simple example is a concentration cell), and the free energy per mole is exactly equal to the electrochemical potential difference between the two regions.
Терминологияның қайшылықтары
Электрохимия және қатты дене физикасында электрондардың химиялық және электрохимиялық потенциалдарын талқылау жиі кездеседі. Дегенмен, екі саланың ішінде осы екі терминнің анықтамалары кейде ауыстырылып жатады. Электрохимияда электрондардың (немесе кез келген басқа түрдің) электрохимиялық потенциалы – (ішкі, электрлік емес) химиялық потенциал және электрлік потенциалдың жиынтығынан тұратын жалпы потенциал болып табылады, және ол тепе-теңдіктегі құрылымда анықтама бойынша тұрақты болады. Ал электрондардың химиялық потенциалы электрохимиялық потенциалдан бір электронға шаққандағы жергілікті электрлік потенциал энергиясын қысқартқаннан кейін қалған мәнге тең. Қатты дене физикасында анықтамалар көбінесе осымен үйлеседі, бірақ кейде олар ауыстырылып қолданылады. Осы мақалада электрохимияда қолданылатын анықтамалар пайдаланылады.
It is common in electrochemistry and solid state physics to discuss both the chemical potential and the electrochemical potential of the electrons. However, in the two fields, the definitions of these two terms are sometimes swapped. In electrochemistry, the electrochemical potential of electrons (or any other species) is the total potential, including both the (internal, nonelectrical) chemical potential and the electric potential, and is by definition constant across a device in equilibrium, whereas the chemical potential of electrons is equal to the electrochemical potential minus the local electric potential energy per electron. In solid state physics, the definitions are normally compatible with this, but occasionally the definitions are swapped. This article uses the electrochemistry definitions.
Қате пайдалану
Электрохимиялық потенциал термині кейде электрод потенциалын (тозудағы электродтың, нөлдік емес таза реакция немесе ток бар электродтың, немесе тепе-теңдіктегі электродтың) білдіру үшін қолданылады. Кейбір жағдайларда тозудағы металдардың электродтық потенциалын "электрохимиялық тозу потенциалы" деп атайды, ол көбінесе ЭТП деп қысқартылады, ал "тозу" сөзі кейде алынып тасталады. Бұл қолданыс шатастыруға әкелуі мүмкін. Екі шаманың мағынасы және өлшемдері әр түрлі: электрохимиялық потенциалдың өлшемдері – энергияға моль, ал электрод потенциалы – кернеу (энергияға заряд).
The term electrochemical potential is sometimes used to mean an electrode potential (either of a corroding electrode, an electrode with a non zero net reaction or current, or an electrode at equilibrium). In some contexts, the electrode potential of corroding metals is called "electrochemical corrosion potential", which is often abbreviated as ECP, and the word "corrosion" is sometimes omitted. This usage can lead to confusion. The two quantities have different meanings and different dimensions: the dimension of electrochemical potential is energy per mole while that of electrode potential is voltage (energy per charge).