En electroquímica , el potencial electroquímico ( ECP ), μ , es una medida termodinámica del potencial químico que no omite la contribución energética de la electrostática . El potencial electroquímico se expresa en la unidad de J / mol .
Cada especie química (por ejemplo, "moléculas de agua", "iones de sodio", "electrones", etc.) tiene un potencial electroquímico (una cantidad con unidades de energía) en cualquier punto dado en el espacio, que representa lo fácil o difícil que es agregar más de esa especie a esa ubicación. Si es posible, una especie se moverá de áreas con mayor potencial electroquímico a áreas con menor potencial electroquímico; en equilibrio, el potencial electroquímico será constante en todas partes para cada especie (puede tener un valor diferente para diferentes especies). Por ejemplo, si un vaso de agua tiene iones de sodio (Na + ) disueltos uniformemente en él, y se aplica un campo eléctrico a través del agua, entonces los iones de sodio tenderán a ser atraídos por el campo eléctrico hacia un lado. Decimos que los iones tienen energía potencial eléctrica y se están moviendo para reducir su energía potencial. Del mismo modo, si un vaso de agua tiene mucho azúcar disuelto en un lado y nada en el otro lado, cada molécula de azúcar se difundirá aleatoriamente alrededor del agua, hasta que haya una concentración igual de azúcar en todas partes. Decimos que las moléculas de azúcar tienen un " potencial químico ", que es mayor en las zonas de alta concentración, y las moléculas se desplazan hacia un potencial químico menor. Estos dos ejemplos muestran que un potencial eléctrico y un potencial químico pueden dar el mismo resultado: una redistribución de las especies químicas. Por lo tanto, tiene sentido combinarlos en un único "potencial", el potencial electroquímico , que puede dar directamente la redistribución neta teniendo en cuenta ambos .
En principio, es fácil medir si dos regiones (por ejemplo, dos vasos de agua) tienen el mismo potencial electroquímico para una determinada especie química (por ejemplo, una molécula de soluto): se permite que la especie se mueva libremente de un lado a otro entre las dos regiones (por ejemplo, conectándolas con una membrana semipermeable que deje pasar sólo esa especie). Si el potencial químico es el mismo en las dos regiones, la especie se moverá ocasionalmente de un lado a otro entre las dos regiones, pero en promedio hay tanto movimiento en una dirección como en la otra, y hay cero migración neta (esto se llama "equilibrio difusivo"). Si los potenciales químicos de las dos regiones son diferentes, más moléculas se moverán hacia el potencial químico más bajo que hacia la otra dirección.
Además, cuando no hay equilibrio difusivo, es decir, cuando las moléculas tienden a difundirse de una región a otra, cada molécula que difunde netamente libera cierta energía libre , que a veces se puede aprovechar (un ejemplo sencillo es una celda de concentración ), y la energía libre por mol es exactamente igual a la diferencia de potencial electroquímico entre las dos regiones.
En electroquímica y física del estado sólido es habitual hablar tanto del potencial químico como del potencial electroquímico de los electrones . Sin embargo, en ambos campos, a veces se intercambian las definiciones de estos dos términos. En electroquímica, el potencial electroquímico de los electrones (o de cualquier otra especie) es el potencial total, que incluye tanto el potencial químico (interno, no eléctrico) como el potencial eléctrico, y es, por definición, constante en todo el dispositivo en equilibrio, mientras que el potencial químico de los electrones es igual al potencial electroquímico menos la energía potencial eléctrica local por electrón. [1] En física del estado sólido, las definiciones normalmente son compatibles con esto, [2] pero ocasionalmente [3] se intercambian las definiciones.
Este artículo utiliza las definiciones de electroquímica.
En términos genéricos, el potencial electroquímico es el trabajo mecánico realizado para llevar 1 mol de un ion desde un estado estándar a una concentración y un potencial eléctrico específicos . Según la definición de la IUPAC , [4] es la energía de Gibbs molar parcial de la sustancia al potencial eléctrico especificado, donde la sustancia está en una fase específica. El potencial electroquímico se puede expresar como
dónde:
En el caso especial de un átomo sin carga, z i = 0, y por lo tanto μ i = μ i .
El potencial electroquímico es importante en los procesos biológicos que implican la difusión molecular a través de membranas, en la química electroanalítica y en aplicaciones industriales como las baterías y las pilas de combustible. Representa una de las muchas formas intercambiables de energía potencial mediante las cuales se puede conservar la energía .
En las membranas celulares , el potencial electroquímico es la suma del potencial químico y el potencial de membrana .
El término potencial electroquímico se utiliza a veces para referirse a un potencial de electrodo (ya sea de un electrodo corrosivo, un electrodo con una reacción neta o corriente distinta de cero, o un electrodo en equilibrio). En algunos contextos, el potencial de electrodo de los metales corrosivos se denomina "potencial de corrosión electroquímica", [5] que a menudo se abrevia como ECP, y a veces se omite la palabra "corrosión". Este uso puede generar confusión. Las dos cantidades tienen significados y dimensiones diferentes: la dimensión del potencial electroquímico es la energía por mol, mientras que la del potencial de electrodo es el voltaje (energía por carga).
