En electroquímica , el potencial electroquímico ( ECP ), μ , es una medida termodinámica del potencial químico que no omite el aporte energético 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 del espacio, que representa qué tan fácil o difícil es es agregar más de esa especie a esa ubicación. Si es posible, una especie se trasladará 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 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 disminuir su energía potencial. Del mismo modo, si un vaso de agua tiene mucho azúcar disuelto en un lado y nada en el otro, cada molécula de azúcar se difundirá aleatoriamente alrededor del agua, hasta que haya la misma concentración 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 mueven para disminuir su potencial químico. Estos dos ejemplos muestran que un potencial eléctrico y un potencial químico pueden dar el mismo resultado: una redistribución de las especies químicas. Por tanto, tiene sentido combinarlos en un único "potencial", el potencial electroquímico , que puede dar directamente la redistribución neta teniendo en cuenta ambos .
Es (en principio) fácil medir si dos regiones (por ejemplo, dos vasos de agua) tienen o no el mismo potencial electroquímico para una determinada especie química (por ejemplo, una molécula de soluto): permita que la especie retroceda libremente y entre las dos regiones (por ejemplo, conéctelas con una membrana semipermeable que deje pasar solo esa especie). Si el potencial químico es el mismo en las dos regiones, las especies ocasionalmente se moverán hacia adelante y hacia atrás entre las dos regiones, pero en promedio hay tanto movimiento en una dirección como en la otra, y la migración neta es cero (esto es llamado "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, entonces hay cierta energía libre liberada por cada molécula en difusión neta. Esta energía, que a veces puede aprovecharse (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.
Es común en electroquímica y física del estado sólido discutir tanto el potencial químico como el potencial electroquímico de los electrones . Sin embargo, en los dos campos, las definiciones de estos dos términos a veces se intercambian. En electroquímica, el potencial electroquímico de los electrones (o 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 un dispositivo en equilibrio, mientras que el potencial químico de 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] las definiciones se intercambian.
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 potencial eléctrico específicos . Según la definición de la IUPAC , [4] es la energía de Gibbs molar parcial de la sustancia en el potencial eléctrico especificado, donde la sustancia se encuentra en una fase específica. El potencial electroquímico se puede expresar como
dónde:
En el caso especial de un átomo sin carga, z i = 0, por lo que μ i = μ i .
El potencial electroquímico es importante en procesos biológicos que implican difusión molecular a través de membranas, en química electroanalítica y aplicaciones industriales como baterías y 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 corroído, un electrodo con una reacción o corriente neta distinta de cero, o un electrodo en equilibrio). En algunos contextos, el potencial de electrodo de los metales corroídos 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 diferentes significados y diferentes dimensiones: la dimensión del potencial electroquímico es energía por mol mientras que la del potencial del electrodo es el voltaje (energía por carga).
