Химический потенциал
В термодинамике химический потенциал вида — это энергия , которая может быть поглощена или высвобождена из-за изменения числа частиц данного вида, например, в химической реакции или фазовом переходе . Химический потенциал вещества в смеси определяется как скорость изменения свободной энергии термодинамической системы по отношению к изменению числа атомов или молекул вещества, добавляемого в систему. Таким образом, это частная производнаясвободной энергии по отношению к количеству частиц, концентрации всех других частиц в смеси остаются постоянными. Когда и температура, и давление поддерживаются постоянными, а количество частиц выражается в молях, химический потенциал представляет собой парциальную молярную свободную энергию Гиббса . [1] [2] При химическом равновесии или фазовом равновесии полная сумма произведения химических потенциалов и стехиометрических коэффициентов равна нулю, так как свободная энергия минимальна. [3] [4] [5]В системе, находящейся в диффузионном равновесии, химический потенциал любых химических соединений одинаков везде по всей системе. [6]
В физике полупроводников химический потенциал системы электронов при нулевой абсолютной температуре известен как энергия Ферми . [7]
Частицы имеют тенденцию двигаться от более высокого химического потенциала к более низкому химическому потенциалу, потому что это уменьшает свободную энергию. Таким образом, химический потенциал является обобщением «потенциалов» в физике , таких как гравитационный потенциал . Когда мяч катится с холма, он движется от более высокого гравитационного потенциала (более высокая внутренняя энергия, следовательно, более высокий потенциал для работы) к более низкому гравитационному потенциалу (более низкая внутренняя энергия). Точно так же, когда молекулы движутся, реагируют, растворяются, плавятся и т. д., они всегда будут естественным образом стремиться перейти от более высокого химического потенциала к более низкому, изменяя число частиц , которое является величиной, сопряженной с химическим потенциалом.
Простой пример — система разбавленных молекул, диффундирующих в однородной среде. В этой системе молекулы имеют тенденцию перемещаться из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией, пока, в конце концов, концентрация не станет везде одинаковой. Микроскопическое объяснение этого основано на кинетической теории и хаотическом движении молекул. Однако проще описать процесс с точки зрения химических потенциалов: при данной температуре молекула имеет более высокий химический потенциал в области более высоких концентраций и более низкий химический потенциал в области низких концентраций. Движение молекул от более высокого химического потенциала к более низкому химическому потенциалу сопровождается выделением свободной энергии. Поэтому это самопроизвольный процесс ..
Другим примером, основанным не на концентрации, а на фазе, является кубик льда на тарелке при температуре выше 0 °C. Молекула H 2 O, находящаяся в твердой фазе (лед), имеет более высокий химический потенциал, чем молекула воды, находящаяся в жидкой фазе (вода) при температуре выше 0 °C. Когда часть льда тает, молекулы H 2 O превращаются из твердого состояния в более теплую жидкость, где их химический потенциал ниже, поэтому кубик льда сжимается. При температуре плавления 0 °С химические потенциалы воды и льда одинаковы; кубик льда не растет и не сжимается, и система находится в равновесии .
Третий пример иллюстрируется химической реакцией диссоциации слабой кислоты H A (например, уксусной кислоты , A = CH 3 COO - ):
