פוטנציאל אלקטרוכימי

באלקטרוכימיה, הפוטנציאל האלקטרוכימי (באנגלית: ElectroChemical Potential; בראשי תיבות: ECP) הוא מדידה תרמודינמית של פוטנציאל כימי שלא משמיטה את תרומת האנרגיה של האלקטרוסטטיקה. פוטנציאל אלקטרוכימי מובע ביחידת מידה "J\mol".

 מבוא 
לכל תא אלקטרוכימי (לדוגמה, "מולקולות מים", "יוני נתרן", "אלקטרונים") יש פוטנציאל אלקטרוכימי (כמות עם מידות של אנרגיה) בכל מקום אפשרי בחלל, שמסמל עד כמה קל או קשה להוסיף עוד חלקיקים מסוג זה לאותה סביבה. חלקיקים ינועו מאזורים עם פוטנציאל אלקטרוכימי גבוה לאזורים עם פוטנציאל אלקטרוכימי נמוך, ככל שהסביבה מאפשרת תנועה זו; בשיווי משקל, פוטנציאל אלקטרוכימי מפוזר בכל מקום לכל סוג חלקיקים (יכול להיות שיהיה ערך שונה לכל סוג). לדוגמה אם בכוס מים נמצאים יוני נתרן (+Na) המומסים במים בצורה אחידה, ונוסף שדה חשמלי לתוך המים, אז יוני הנתרן נוטים להמשך לצד אחד של השדה החשמלי. אומרים שליונים יש אנרגיה פוטנציאלית חשמלית, ושהם זזים כדי להפחית את פוטנציאל האנרגיה שלהם. כמו כן, אם בכוס מים בצד אחד יש כמות רבה של סוכר מומס ובצד השני אין, כל מולקולות הסוכר יתפזרו בצורה רנדומלית בתוך המים, עד שתתקבל כמות סוכר שווה בכל האזור. אומרים שלמולקולות הסוכר יש "פוטנציאל כימי", שגבוה יותר באזורים עם ריכוז גבוה, וכל המולקולות זזות על מנת להפחית את הפוטנציאל הכימי שלהן. שתי הדוגמאות הללו מראות שפוטנציאל חשמלי ופוטנציאל כימי יכולים להוביל לאותה התוצאה: פיזור מחדש של סוגי החלקיקים. לכן, זה יוצר היגיון לשילוב שלהם לפוטנציאל אחד, הפוטנציאל האלקטרוכימי.

(בעקרון) קל למדוד אם יש או אין שני אזורים (למשל, שתי כוסות מים) שיש להן אותו פוטנציאל אלקטרוכימי לחלקיק מסוים (למשל, מולקולה של חומר מומס): יש לאפשר לחלקיקים לנוע בחופשיות קדימה ואחורה בין שני התחומים האלה (למשל, לחבר אותם עם ממברנה חדירה למחצה שמאפשרת מעבר רק לחלקיקים אלה). אם הפוטנציאל הכימי דומה בשני התחומים, החלקיקים לפעמים יזוזו קדימה או אחורה בין שני התחומים, אבל הממוצע יהיה בדיוק כמו תנועה אחת בכיוון השני, ושם אין נדידה בכלל. אם הפוטנציאל הכימי של שני השטחים יהיה שונה, יותר מולקולות ינועו לפוטנציאל הכימי הנמוך יותר מאשר לכיוון השני.

יותר מזה, בנוכחות דיפוזיה, כלומר כאשר יש נטייה למולקולות לנוע מתחום אחד לתחום שני, אז יש אנרגיה חופשית מסוימת אשר מתפזרת על ידי כל אחת מהמולקולות. האנרגיה הזאת, אשר יכולה לפעמים להירתם (דוגמה פשוטה היא תא ריכוז), והאנרגיה החופשית בכל mole (יחידת מידה) שווה בדיוק להבדל של הפוטנציאל האלקטרוכימי בין שני השטחים.

 מונחים מנוגדים 
זה שכיח באלקטרוכימיה ובפיזיקה של מצב מוצק להתווכח על שני הפוטנציאלים, הפוטנציאל כימי והפוטנציאל חשמלי של האלקטרונים. למרות זאת, בשני השטחים, ההגדרות של שני המונחים הללו לפעמים מתחלפות. באלקטרוכימיה, הפוטנציאל האלקטרוכימי של האלקטרונים (או כל סוג אחר) נמצא בפוטנציאל מוחלט, הכולל את הפוטנציאל הכימי ואת הפוטנציאל החשמלי (פנימי, לא-חשמלי), והוא על ידי הגדרה קבועה על פני מכשיר בשיווי משקל, ואילו הפוטנציאל הכימי של האלקטרונים שווה לפוטנציאל האלקטרוכימי פחות האנרגיה פוטנציאלית חשמלית מקומית לכל אלקטרון. בפיזיקה של מצב מוצק, המשמעויות מתאימות לזה, אבל מדי פעם המשמעויות מתחלפות.

 הגדרה ושימוש 
בתנאים כלליים, הפוטנציאל האלקטרוכימי הוא העבודה מכנית הנעשית כאשר מביאים יחידת mole אחת של יון מהמצב הרגיל לריכוז מוגדר ופוטנציאל חשמלי.
פוטנציאל אלקטרוכימי יכול להתבטא גם כ:

ממוזער
 μi זה הפוטנציאל כימי של הסוגים i, ב-J/mol.
 zi זה הערכיות (טעינה) של היון i,חסר מספר שלם.
 F זה קבוע פאראדיי, ב־C/mol.
 Φ זה הפוטנציאל האלקטרוסטטי המקומי, ב-V.

פוטנציאל אלקטרוכימי חשוב בתהליכים ביולוגיים אשר מערבים דיפוזיה מולקולרית מעבר לממברנות, בכימיה אלקטרואנליטית, ויישומים תעשייתיים כמו סוללות ותאי דלק. זה מייצג אחד מהרבה צורות חלופיות של אנרגיה פוטנציאלית שדרכם אפשר לשמר אנרגיה(חוק שימור אנרגיה).
בקרום התא, הפוטנציאל האלקטרוכימי זה סכום פוטנציאל כימי ופוטנציאל ממברנה (Membrane potential).

 ראו גם 
 רמת פרמי

קטגוריה:אלקטרוכימיה
קטגוריה:תרמודינמיקה