전기화학전위

Electrochemical potential

전기화학에서 전기화학전위(ECP, μ)는 전위학의 에너지 기여를 생략하지 않는 화학전위의 열역학적 측정치다. 전기화학 전위는 J/mol 단위로 표현된다.

소개

각 화학종(예: "물 분자", "소듐 이온", "전자" 등)은 우주에서 주어진 어떤 지점에서든 전기화학전위(에너지 단위가 있는 수량)를 가지고 있는데, 이는 그 위치에 그 종을 더 추가하기가 얼마나 쉽거나 어려운지를 나타낸다. 가능하면 종은 전기화학적 잠재력이 높은 영역에서 전기화학적 잠재력이 낮은 영역으로 이동할 것이다. 평형상태에서 전기화학적 전위는 각 종에 대해 어디에서나 일정할 것이다(다른 종에 대해 다른 값을 가질 수도 있다). 예를 들어 물 한 잔에 나트륨 이온(Na+)이 균일하게 용해되어 물 건너에 전기장이 가해진다면 나트륨 이온은 전기장에 의해 한쪽으로 당겨지는 경향이 있을 것이다. 우리는 이온들이 전위 에너지를 가지고 있고, 그들의 전위 에너지를 낮추기 위해 움직이고 있다고 말한다. 마찬가지로 물 한 잔에 한쪽에는 용해된 설탕이 많고 다른 한쪽에는 없는 경우, 각 설탕 분자는 물 주위에서 무작위로 분산되어 사방에 균등한 당분 농도가 존재할 때까지 분포한다. 당분자는 고농도 영역에서 더 높은 '화학전위'를 가지고 있으며, 분자는 화학전위를 낮추기 위해 움직인다고 우리는 말한다. 이 두 가지 예는 전위와 화학적 전위가 둘 다 같은 결과를 줄 수 있다는 것을 보여준다: 화학적 종의 재배포. 따라서 이들을 하나의 "잠재적"인 전기화학적 잠재력으로 결합하는 것이 이치에 맞으며, 이 두 가지를 모두 고려하여 순재분배를 직접 제공할 수 있다.

(원리적으로) 특정 화학종(예: 용액 분자)에 대해 두 지역(예: 물 두 잔)이 동일한 전기화학 전위를 가지는지 여부를 측정하는 것은 쉽다. 종들이 두 지역 사이를 자유롭게 오갈 수 있도록 허용한다(예를 들어, 그 종만이 통과할 수 있도록 하는 반투과성 막으로 연결). 두 지역에서 화학적 잠재력이 같다면 종은 때때로 두 지역 사이를 왔다 갔다 하겠지만, 평균적으로 한 방향에서 다른 방향과 마찬가지로 이동이 많고, 순이동이 제로(이것을 "분해적 평형"이라 한다)이다. 만약 두 지역의 화학적 전위가 다르면, 다른 방향보다 더 많은 분자가 낮은 화학적 전위로 이동하게 될 것이다.

더욱이 확산 평형이 없을 때, 즉 분자가 한 지역에서 다른 지역으로 확산되는 경향이 있을 때, 각 순분해 분자에 의해 방출되는 일정한 자유 에너지가 있다. 이 에너지는 때때로 이용될 수 있으며(단순한 예는 농도 셀이다), 몰 당 자유 에너지는 두 지역 사이의 전기 화학적 전위 차이와 정확히 동일하다.

상충되는 용어

참고 항목: 페르미레벨

전자의 화학적 전위와 전기화학적 전위를 모두 논하는 것은 전기화학이나 고체상태 물리학에서 흔히 볼 수 있다. 그러나, 두 분야에서는, 이 두 용어의 정의가 때로는 스와핑되기도 한다. 전기화학에서 전자(또는 다른 종)의 전기화학적 전위는 (내부, 비전위) 화학전위와 전위를 모두 포함한 총전위로서, 정의상 평형상태의 장치에 걸쳐 일정하며, 반면에 전자의 화학전위는 전기화학적 전위와 동일하다.l 전자당 국소 전위 에너지를 뺀다.[1] 고체 상태의 물리학에서 정의는 보통 이것과 호환되지만 때때로 정의가 스와핑되기도 한다.[2]

이 글은 전기 화학적 정의를 사용한다.

정의 및 사용법

일반적으로 전기화학 전위는 표준 상태에서 지정된 농도와 전위로 이온 몰 1개를 가져오는 기계적 작업이다. IUPAC 정의에 따르면,[4] 특정 전기 전위에서 물질의 부분 어금니 깁스 에너지로서, 특정 단계에 있다. 전기화학 전위는 다음과 같이 표현할 수 있다.

여기서:

  • μ는i 종 i의 전기화학 전위(J/mol)이다.
  • μ는i 종 i의 화학적 전위(J/mol)이다.
  • z는i 이온 i의 Valency(충전)이며, 치수가 없는 정수,
  • F는 패러데이 상수, C/mol,
  • φ은 V의 국소 정전기 전위다.

충전되지 않은 원자의 특별한 경우, zi = 0, 따라서i μ = μi.

전기화학적 전위는 세포막 전체에 분자 확산과 관련된 생물학적 과정, 전기분석 화학, 그리고 배터리나 연료 전지 같은 산업적 응용에서 중요하다. 그것은 에너지가 보존될 수 있는 많은 상호 교환 가능한 형태의 잠재적 에너지 중 하나를 나타낸다.

세포막에서 전기화학전위는 화학전위와 막전위의 합이다.

잘못된 사용법

전기화학 전위라는 용어는 전극 전위(부식된 전극, 0이 아닌 순 반응이나 전류가 있는 전극 또는 평형 상태의 전극)를 의미하기 위해 가끔 사용된다. 어떤 맥락에서는 금속을 부식시키는 전극 전위를 "전기화학 부식 전위"[5]라고 하는데, 흔히 ECP라고 줄여 부르기도 하고, "부식"이라는 말이 생략되기도 한다. 이런 용법은 혼란을 초래할 수 있다. 두 수량은 의미가 다르고 치수가 다르다: 전기화학 전위의 치수는 몰당 에너지인 반면 전극 전위의 치수는 전압(충전당 에너지)이다.

참고 항목

참조

  1. ^ Bard; Faulkner. "Section 2.2.4(a),4-5". Electrochemical Methods (2nd ed.).
  2. ^ Madelung, Otfried (1978). Introduction to solid-state theory. p. 198. ISBN 9783540604433.
  3. ^ Ashcroft; Mermin. Solid State Physics. p. 593.
  4. ^ IUPAC, 화학용어 종합편찬, 제2편. ("금책")(1997년). 온라인 수정 버전: (2006–) "전기화학 잠재력". doi:10.1351/골드북.E01945.
  5. ^ Grover, D. J. (1996). Modeling water chemistry and electrochemical corrosion potential in boiling water reactors (PDF) (Thesis). Massachusetts Institute of Technology.

외부 링크

  • 전기 화학적 잠재력 – Urbana-Champaign에서 일리노이 대학교의 강의 노트