In der Thermodynamik ist chemisches Potenzial, das durch μ symbolisiert ist, ein Maß des Potenzials, das eine Substanz erzeugen muss, um ein System zu verändern. In breitesten Begriffen ist es eine Entsprechung dem elektrischen potenziellen oder Gravitationspotenzial, dieselbe Idee von Kraft-Feldern wie seiend die Ursache von Dingen verwertend, die sich bewegen, sein stürmen sie, Massen, oder, in diesem Fall, Chemikalien. Chemisches Potenzial wurde zuerst vom amerikanischen Ingenieur, Chemiker und mathematischen Physiker Josiah Willard Gibbs beschrieben. Er hat es wie folgt definiert:

Gibbs hat später auch bemerkt, dass zu den Zwecken dieser Definition jedes chemische Element oder Kombination von Elementen in gegebenen Verhältnissen als eine Substanz, entweder fähig oder nicht von vorhandenen allein als ein homogener Körper betrachtet werden können. Diese Freiheit, die Grenze des Systems zu wählen, erlaubt chemischem Potenzial, auf eine riesige Reihe von Systemen angewandt zu werden. Der Begriff kann in der Thermodynamik und Physik für jede Systemerleben-Änderung gebraucht werden. Chemisches Potenzial wird auch teilweisen Mahlzahn Energie von Gibbs genannt (sieh auch teilweises Mahlzahn-Eigentum). Chemisches Potenzial wird in Einheiten der Energie/Partikel oder, gleichwertig, Energie/Maulwurfs gemessen.

In der Chemie wird chemisches Potenzial gewöhnlich eingeschränkt, um chemische Änderung oder zu physischen Änderungen einzuschließen, die den Kurs einer chemischen Reaktion (Phase, Konzentration, usw.) oder zu einem Eigentum wie Elektrondichte beeinflussen könnten. In der modernen statistischen Physik ist das chemische Potenzial, das durch die Temperatur geteilt ist, der Vermehrer von Lagrange für die durchschnittliche Partikel-Einschränkung, wenn es das Wärmegewicht maximiert. Das ist die genaue und abstrakte wissenschaftliche Definition, gerade wie die Temperatur wird in Bezug auf den Vermehrer von Lagrange für die durchschnittliche Energieeinschränkung definiert.

In der Elektrochemie und einigen zusammenhängenden Feldern wird der Begriff "chemisches Potenzial" gebraucht, um einen im Wesentlichen verschiedenen zu beschreiben (aber verbunden) Konzept, nämlich das "innere chemische Potenzial". (sieh unten für Details)

In der Halbleiterphysik ist Das chemische Potenzial eines Systems von Elektronen als das Niveau von Fermi bekannt.

Übersicht

Partikeln neigen dazu, sich vom höheren chemischen Potenzial zu bewegen, um chemisches Potenzial zu senken. Auf diese Weise ist chemisches Potenzial eine Generalisation von "Potenzialen" in der Physik wie Gravitationspotenzial. Wenn ein Ball unten einen Hügel rollt, bewegt er sich von einem höheren Gravitationspotenzial (höhere Erhebung) zu einem niedrigeren Gravitationspotenzial (niedrigere Erhebung). Ebenso, als sich Moleküle bewegen, reagieren, sich auflösen, usw. schmelzen, werden sie immer natürlich dazu neigen, von einem höheren chemischen Potenzial bis ein niedrigeres zu gehen.

Ein einfaches Beispiel ist ein System von verdünnten Molekülen, die sich in einer homogenen Umgebung (Zeichentrickfilm am Recht) verbreiten. In diesem System neigen die Moleküle dazu, sich von Gebieten mit der hohen Konzentration zur niedrigen Konzentration zu bewegen, bis schließlich die Konzentration dasselbe überall ist. Die mikroskopische Erklärung dafür basiert in der kinetischen Theorie und der zufälligen Bewegung von Molekülen. Jedoch ist es einfacher, den Prozess in Bezug auf chemische Potenziale zu beschreiben: Ein Molekül hat ein höheres chemisches Potenzial in einem Gebiet der höheren Konzentration und ein niedrigeres chemisches Potenzial in einem niedrigen Konzentrationsgebiet. Als immer bewegen sich die Moleküle vom höheren chemischen Potenzial, um chemisches Potenzial zu senken.

Ein anderes Beispiel ist ein Glas von flüssigem Wasser mit Eiswürfeln darin. Über 0°C hat ein HO Molekül ein niedrigeres chemisches Potenzial als ein Teil der Flüssigkeit als als ein Teil eines Eiswürfels. Das Eis schmilzt, weil die HO Moleküle ihr chemisches Potenzial senken. Unter 0°C hat das Eis ein niedrigeres chemisches Potenzial, so wachsen die Eiswürfel. An genau 0°C ist das chemische Potenzial für Wasser und Eis dasselbe; die Eiswürfel werden weder wachsen noch zurückweichen, und das System ist im Gleichgewicht.

In der Elektrochemie neigen Ionen nicht immer dazu, von höher zu gehen, um chemisches Potenzial zu senken, aber sie gehen wirklich immer von höher, um elektrochemisches Potenzial zu senken. Das elektrochemische Potenzial charakterisiert völlig alle Einflüsse auf eine Bewegung eines Ions, während das chemische Potenzial alles außer der elektrischen Kraft einschließt. (Sieh unten für mehr auf dieser Fachsprache.)

Geschichte

In seiner 1873-Zeitung Eine Methode der Geometrischen Darstellung der Thermodynamischen Eigenschaften von Substanzen mittels Oberflächen hat Gibbs den einleitenden Umriss der Grundsätze seiner neuen Gleichung eingeführt, die fähig ist, die Tendenzen von verschiedenen natürlichen Prozessen vorauszusagen oder zu schätzen, zu folgen, wenn Körper oder Systeme in den Kontakt gebracht werden. Indem er die Wechselwirkungen von homogenen Substanzen im Kontakt, d. h. Körper studiert hat, im Zusammensetzungsteil fest, Teil-Flüssigkeit und Teil-Dampf seiend, und indem er ein dreidimensionales Volumen-Wärmegewicht innerer Energiegraph verwendet hat, ist Gibbs im Stande gewesen, drei Staaten des Gleichgewichts, d. h. "notwendigerweise stabil", "neutral", und "nicht stabil" zu bestimmen, und ob Änderungen folgen werden. 1876 hat Gibbs auf dieses Fachwerk gebaut, indem er das Konzept des chemischen Potenzials so eingeführt hat, um chemische Reaktionen und Staaten von Körpern in Betracht zu ziehen, die von einander chemisch verschieden sind. In seinen eigenen Wörtern, um seine Ergebnisse 1873 zusammenzufassen, setzt Gibbs fest:

In dieser Beschreibung, wie verwendet, durch Gibbs, bezieht sich ε auf die innere Energie des Körpers, η bezieht sich auf das Wärmegewicht des Körpers, und ν ist das Volumen des Körpers.

Übersicht

Das chemische Potenzial eines thermodynamischen Systems ist der Betrag, durch den sich die Energie des Systems ändern würde, wenn eine zusätzliche Partikel, mit dem Wärmegewicht und Volumen gehalten befestigt eingeführt würde. Wenn ein System mehr als eine Arten der Partikel enthält, gibt es ein getrenntes chemisches Potenzial, das mit jeder Art vereinigt ist, die als die Änderung in der Energie definiert ist, wenn die Zahl von Partikeln dieser Art von einer gesteigert wird. Das chemische Potenzial ist ein grundsätzlicher Parameter in der Thermodynamik, und es ist zur Partikel-Zahl verbunden.

Das chemische Potenzial ist besonders wichtig, wenn es Systeme von reagierenden Partikeln studiert. Ziehen Sie den einfachsten Fall von zwei Arten in Betracht, wo sich eine Partikel der Arten 1 zu einer Partikel der Arten 2 und umgekehrt verwandeln kann. Ein Beispiel solch eines Systems ist eine durchtränkte Mischung von Wasserflüssigkeit (Arten 1) und Wasserdampf (Arten 2). Wenn das System am Gleichgewicht ist, müssen die chemischen Potenziale der zwei Arten gleich sein. Sonst würde eine Nettoausgabe der Energie in der Form der Hitze vorkommen (sieh das zweite Gesetz der Thermodynamik), wenn sich die Art des höheren Potenzials zu den anderen Arten verwandelt, und ein Nettogewinn der Energie (wieder in der Form der Hitze) für die Rücktransformation vorkommen würde. In chemischen Reaktionen sind die Gleichgewicht-Bedingungen allgemein mehr kompliziert, weil mehr als zwei Arten beteiligt werden. In diesem Fall wird die Beziehung zwischen den chemischen Potenzialen am Gleichgewicht durch das Gesetz der Massenhandlung gegeben.

Da das chemische Potenzial eine thermodynamische Menge ist, wird es unabhängig vom mikroskopischen Verhalten des Systems, d. h. den Eigenschaften der konstituierenden Partikeln definiert. Jedoch enthalten einige Systeme wichtige Variablen, die zum chemischen Potenzial gleichwertig sind. In Fermi Benzin und Flüssigkeiten von Fermi ist das chemische Potenzial bei der Nulltemperatur zur Energie von Fermi gleichwertig. In elektronischen Systemen ist das chemische Potenzial mit einem wirksamen elektrischen Potenzial verbunden.

Eine Weise, das chemische Potenzial zu verstehen, soll einen Maulwurf des Methans und 2 Maulwürfe von Sauerstoff denken. Wenn eine Flamme in der Nähe von dieser Mischung gebracht wird, wird die folgende Reaktion vorkommen:

:

und Energie (Hitze) wird veröffentlicht. Diese Energie kommt aus dem Unterschied im chemischen Potenzial zwischen CH4 und O2 einerseits (höheres Potenzial) und CO2 und H2O andererseits (tiefer). Die ganze Energie, die veröffentlicht wird, wird durch gegeben

:

Ähnliche Beispiele können innerhalb von Batterien gefunden werden, wo chemische Energie in die elektrische Energie umgewandelt wird.

Genaue Definition

Denken Sie ein thermodynamisches System, das n konstituierende Arten enthält. Wie man verlangt, ist seine innere Gesamtenergie U eine Funktion des Wärmegewichtes S, des Bands V und der Zahl von Partikeln jeder Art N..., N

:

Durch das Kennzeichnen U als die innere Energie wird es betont, dass die Energiebeiträge, die sich aus den Wechselwirkungen zwischen dem System und den Außengegenständen ergeben, ausgeschlossen werden. Zum Beispiel, die potenzielle Gravitationsenergie des Systems mit der Erde werden in U nicht eingeschlossen.

Das chemische Potenzial der i-th Arten, μ wird als die partielle Ableitung definiert

:

wo die Subschriften einfach betonen, dass das Wärmegewicht, Volumen und die anderen Partikel-Zahlen unveränderlich behalten werden sollen.

Ein ähnlicher Ausdruck für das chemische Potenzial kann in Bezug auf die partielle Ableitung des enthalpy H (unter Bedingungen des unveränderlichen Wärmegewichtes und Drucks) geschrieben werden.

:

In echten Systemen ist es gewöhnlich schwierig, das Wärmegewicht befestigt zu halten, da das vollkommene Thermalisolierung verlangt. Es ist deshalb günstiger, die Energie von Helmholtz A zu definieren, der eine Funktion der Temperatur T, des Volumens und der Partikel-Zahlen ist:

:

In Bezug auf die Energie von Helmholtz ist das chemische Potenzial

:

Laborexperimente werden häufig unter Bedingungen der unveränderlichen Temperatur und des Drucks durchgeführt. Unter diesen Bedingungen ist das chemische Potenzial die partielle Ableitung der Energie von Gibbs in Bezug auf die Zahl von Partikeln

:

Hier ist das chemische Potenzial als die Energie pro Molekül definiert worden. Eine Variante dieser Definition soll das chemische Potenzial als die Energie pro Maulwurf definieren.

Die Werte des chemischen Potenzials

Wenn

man ein chemisches Potenzial angibt, muss es "hinsichtlich was" festgesetzt werden. Zum Beispiel, wenn ein Wasserstoffatom von einem System entfernt wird, hängt die entsprechende Energieänderung ab, wohin das Wasserstoffatom später gestellt wird. Manchmal ist das nicht ein Problem: Zum Beispiel, wenn flüssiges Wasser ins Eis friert, ist die wichtige Menge das chemische Potenzial der Flüssigkeit hinsichtlich des Eises. Jedoch ist es ein Problem, wenn es numerische Werte des chemischen Potenzials für verschiedene Substanzen tabellarisiert. Normalerweise geben solche Tabellarisierungen chemisches Potenzial hinsichtlich des Standardstaates.

Für Standardbedingungen (T = 298.15 K; p = 1 atm) die Werte des chemischen Potenzials werden tabellarisiert, sehen unter "Außenverbindungen". Wenn das chemische Potenzial in einem bestimmten Staat bekannt ist (z.B, für Standardbedingungen), dann kann es in der geradlinigen Annäherung für den Druck und die Temperaturen in der Nähe von diesem Staat berechnet werden:

:

und

:

Hier

:

\alpha

=

\left (

\frac {\\teilweiser \mu} {\\teilweise T\

\right) _ {p, n }\

</Mathematik>

ist der Temperaturkoeffizient und

:

\beta

= \left (

\frac {\\teilweiser \mu} {\\teilweise p\

\right) _ {T, n }\

</Mathematik>

ist der Druck-Koeffizient.

Mit den Beziehungen von Maxwell

: \left ( \frac {\\teilweiser \mu} {\\teilweise T\ \right) _ {p, n }\

= -

\left (

\frac {\\teilweise S\{\\teilweise n\

\right) _ {T, p }\

</Mathematik>und: \left ( \frac {\\teilweiser \mu} {\\teilweise p\ \right) _ {T, n }\ = \left (

\frac {\\teilweise V\{\\teilweise n\

\right) _ {T, p }\</Mathematik>

hieraus folgt dass der Temperaturkoeffizient dem negativen Mahlzahn-Wärmegewicht gleich ist und der Druck-Koeffizient dem Mahlzahn-Volumen gleich ist.

Ausdrücke des chemischen Potenzials für verschiedene Systeme

Für nichtideale Systeme wie echtes Benzin oder Lösungen wird das chemische Potenzial als ausgedrückt:

:

wo a_i die Tätigkeit eines Bestandteils in einer Mischung ist.

Inneres, äußerliches und ganzes chemisches Potenzial

Wenn es einen chemischen potenziellen Unterschied zwischen zwei Positionen gibt, kann etwas davon wegen mit "Außen"-Kraft-Feldern vereinigter Potenziale sein (Elektrische potenzielle Energieunterschiede, potenzielle Gravitationsenergieunterschiede, usw.), während der Rest wegen "innerer" Faktoren sein würde (Dichte, Temperatur, usw.), kann Das wahre chemische Potenzial, auch genannt chemisches Gesamtpotenzial, ins innere chemische potenzielle und äußerliche chemische Potenzial gespalten werden

:

wo

:

d. h. das Außenpotenzial ist die Summe des elektrischen potenziellen Gravitationspotenzials, usw. (q und M sind die Anklage und Masse der Arten, beziehungsweise, V, und h sind die Stromspannung und Höhe des Behälters beziehungsweise, und g ist die Beschleunigung wegen des Ernstes.)

Obwohl sich der Ausdruck "chemisches Potenzial" gewöhnlich auf das "chemische Gesamtpotenzial bezieht" wird das nicht allgemein beobachtet. In einigen Feldern, in der besonderen Elektrochemie, wird der Begriff "chemisches Potenzial" stattdessen gebraucht, um inneres chemisches Potenzial zu bedeuten, wohingegen der Begriff elektrochemisches Potenzial gebraucht wird, um chemisches Gesamtpotenzial zu bedeuten. Jedoch, in der Halbleiterphysik, genau wird die entgegengesetzte Tagung häufig im Zusammenhang von Elektronen, mit der "chemischen potenziellen" Bedeutung chemischen Gesamtpotenzials, und "elektrochemischen potenziellen" Bedeutung inneren chemischen Potenzials verwendet.

Chemisches Potenzial von Elektronen in Festkörpern

Elektronen in Festkörpern haben ein chemisches Potenzial, hat denselben Weg als das chemische Potenzial einer chemischen Art definiert: Die Änderung in der freien Energie, wenn Elektronen hinzugefügt oder vom System entfernt werden. Im Fall von Elektronen wird das chemische Potenzial gewöhnlich in der Energie pro Partikel aber nicht Energie pro Maulwurf ausgedrückt, und die Energie pro Partikel wird in Einheiten des Elektronvolt (eV) herkömmlich gegeben.

Chemisches Potenzial spielt eine besonders wichtige Rolle in der Halbleiterphysik. Zum Beispiel hat n-leitendes Silikon ein höheres chemisches Potenzial von Elektronen als P-Typ-Silikon. Deshalb, wenn P-Typ und n-leitendes Silikon in den Kontakt-genannten gestellt werden, werden p-n Verbindungspunkt-Elektronen vom n-leitenden bis den P-Typ spontan fließen. Diese Übertragung der Anklage verursacht ein "eingebautes" elektrisches Feld, das dazu zentral ist, wie p-n Dioden und photovoltaics arbeiten.

Das chemische Potenzial von Elektronen in Festkörpern ist nah mit den Konzepten der Arbeitsfunktion, fermi Niveau, Elektronegativität und Ionisationspotenzial verbunden. Tatsächlich, wie man manchmal sagt, ist das chemische Potenzial eines Atoms die Verneinung der Elektronegativität des Atoms. Ebenfalls wird der Prozess der chemischen potenziellen Gleichung manchmal den Prozess der Elektronegativitätsgleichung genannt. Diese Verbindung kommt aus der Definition von Mulliken der Elektronegativität. Durch das Einfügen der energischen Definitionen des Ionisationspotenzials und der Elektronsympathie in die Elektronegativität von Mulliken ist es möglich zu zeigen, dass Mulliken chemisches Potenzial eine begrenzte Unterschied-Annäherung der elektronischen Energie in Bezug auf die Zahl von Elektronen ist. d. h.,

:

wo IP und EA das Ionisationspotenzial und die Elektronsympathie des Atoms beziehungsweise sind.

Wie beschrieben, oben, wenn man chemisches Potenzial beschreibt, muss man "hinsichtlich was" sagen. Im Fall von Elektronen in Festkörpern wird chemisches Potenzial häufig "hinsichtlich des Vakuums", d. h. hinsichtlich eines Elektrons sitzend isoliert im leeren Raum angegeben.

In der Praxis ist das elektrochemische Potenzial von Elektronen noch wichtiger als das chemische Potenzial. Das elektrochemische Potenzial von Elektronen in einem Festkörper wird fermi Niveau genannt.

In der Partikel-Physik

In den letzten Jahren hat Thermalphysik die Definition des chemischen Potenzials zu Systemen in der Partikel-Physik und seinen verbundenen Prozessen angewandt. Zum Beispiel, in einem Plasma des Quarks-gluon oder anderer QCD Sache, an jedem Punkt im Raum gibt es ein chemisches Potenzial für Fotonen, ein chemisches Potenzial für Elektronen, ein chemisches Potenzial für die Baryonenzahl, elektrische Anklage und so weiter.

Im Fall von Fotonen sind Fotonen bosons und können sehr leicht und schnell erscheinen oder verschwinden. Deshalb ist das chemische Potenzial von Fotonen immer und überall Null. Der Grund ist, wenn das chemische Potenzial irgendwo höher wäre als Null, würden Fotonen von diesem Gebiet spontan verschwinden, bis das chemische Potenzial zur Null zurückgegangen ist; ebenfalls, wenn das chemische Potenzial irgendwo weniger wäre als Null, würden Fotonen spontan erscheinen, bis das chemische Potenzial zur Null zurückgegangen ist. Da dieser Prozess äußerst schnell vorkommt (mindestens, kommt er schnell in Gegenwart von der dichten beladenen Sache vor), es ist sicher anzunehmen, dass das Foton chemisches Potenzial von der Null nie verschieden ist.

Elektrische Anklage ist verschieden, weil sie erhalten wird, d. h. sie weder geschaffen noch zerstört werden kann. Es kann sich jedoch verbreiten. Das "chemische Potenzial der elektrischen Anklage" kontrolliert diese Verbreitung: Elektrische Anklage, wie irgend etwas anderes, wird dazu neigen, sich von Gebieten des höheren chemischen Potenzials zu Gebieten des niedrigeren chemischen Potenzials zu verbreiten. Andere erhaltene Mengen wie Baryonenzahl sind dasselbe. Tatsächlich wird jede erhaltene Menge mit einem chemischen Potenzial und einer entsprechenden Tendenz vereinigt sich zu verbreiten, um es gleichzumachen.

Im Fall von Elektronen hängt das Verhalten von Temperatur und Zusammenhang ab. Bei niedrigen Temperaturen, ohne Positron-Gegenwart, können Elektronen nicht geschaffen oder zerstört werden. Deshalb gibt es ein chemisches Elektronpotenzial, das sich im Raum ändern könnte, Verbreitung verursachend. Bei sehr hohen Temperaturen, jedoch, können Elektronen und Positrone aus dem Vakuum spontan erscheinen (Paar-Produktion), so wird das chemische Potenzial von Elektronen durch sich eine weniger nützliche Menge als das chemische Potenzial der erhaltenen Mengen wie (Elektronen minus Positrone).

Die chemischen Potenziale von bosons und fermions sind mit der Zahl von Partikeln und der Temperatur durch die Statistik von Bose-Einstein und Fermi-Dirac Statistik beziehungsweise verbunden.

Siehe auch

• Tätigkeit (Chemie)
• Chemisches Gleichgewicht
• Elektrochemisches Potenzial
• Chemisches Überpotenzial
• Fugacity
• Teilweises Mahlzahn-Eigentum
• Thermodynamisches Gleichgewicht

Links

• Chemisches Potenzial
• Chemische Potenziale
• Werte des chemischen Potenzials von 1300 Substanzen
• Chemisches Potenzial in Experimenten: Demonstration experimentiert "Auflösung von Marmor", "Ammoniak-Brunnen", "Karbid-Lampe" (Instruktionen und Videos)