پتانسیل شیمیایی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

پتانسیل شیمیایی نوعی انرژی پتانسیل می باشد که در طی واکنش شیمیایی آزاد می شود و یا بدست می آید. مقدار پتانسیل شیمیایی همچنین در پی تغییر فاز تغییر می کند. پتانسیل شیمیایی گونه های مختلف موجود در سیستم را می توان با نسبت نرخ انرژی آزاد ترمودینامیکی به نرخ تغییر مولی آن گونه تعریف نمود.

تعریف[ویرایش]

در علم ترمودینامیک، پتانسیل شیمیایی که با µ نشانه گزاری می‌شود، مقدار پتانسیلی است که یک ماده باید تولید کند برای اینکه یک سیستم را تغییر دهد. در وسیع‌ترین معانی، پتانسیل شیمیایی مشابه پتانسیل الکتریکی یا پتانسیل گرانشی است که از همان نظریه‌ی میدان‌های نیرو به عنوان حرکت اشیا استفاده می‌کند، که این میدان‌ها می‌توانند بارهای الکتریکی، اجرام یا در حالتی مواد شیمیایی باشند. پتانسیل شیمیایی اولین بار توسط مهندس آمریکایی، شیمیدان و ریاضی فیزیک دان، جوسایا ویلارد گیبس (Josiah Willard Gibbs) توصیف شد. او پتانسیل شیمیایی را مانند زیر تعریف کرد:

اگر به هر جرم همگنی در حالت تنش ایستایی (hydrostatic stress) فرض کنیم مقداری بی‌نهایت کوچک از ماده‌ای اضافه شود، جرم همگن می‌ماند و آنتروپی و حجم آن بدون تغییر باقی می‌ماند، افزایش انرژی جرم که توسط ماده اضافه شده پخش می‌شود پتانسیل شیمیایی آن ماده در جرم مطرح شده است. گیبش بعدها اشاره کرد که همچنین برای اهداف این تعریف، هر عنصر شیمیایی یا مخلوطی از عناصر با ترکیب درصد معین می‌تواند به عنوان یک ماده در نظر گرفته شود، خواه بتواند، خواه نتواند به عنوان یک جسم همگن وجود داشته باشد. این آزادی در انتخاب حدود سیستم باعث می‌شود که پتانسیل شیمیایی در محدوده‌ی گسترده‌ای از سیستم‌ها استفاده شود. این مفهوم می‌تواند در علم ترمودینامیک و فیزیک برای هر سیستم در حال تغییر استفاده شود. پتانسیل شیمیایی همچنین معادل است با مقدار پارشیال مولار انرژی گیبس (partial molar gibbs energy). در اصل ابتدا رابطه‌ی مقدار پارشیال مولار انرژی گیبس کشف شد اما به دلیل اهمیت و کاربردهای زیاد آن در سیستم‌های تعادلی ترمودینامیکی نام پتانسیل شیمیایی را روی آن گزاشتند. پتانسیل شیمیایی در واحد انرژی/ذره (energy/particle) یا معادل آن انرژی/مول (energy/mole) اندازه‌گیری می‌شود. در شیمی، پتانسیل شیمیایی معمولا منحصر می‌شود به مواردی که شامل تغییر شیمیایی می‌شود یا تغییر فیزیکی که بر روی مسیر واکنش شیمیایی تاثیر دارد (فاز، غلظت و ...) و یا مربوط می‌شود به خاصیتی مانند چگالی الکترونی. در علم فیزیکی ایستایی مدرن، پتانسیل شیمیایی، توسط دما تقسیم می‌شود و ضرب کننده‌ی لاگرانژ (Lagrange multiplier) برای متوسط محدودیت ذرات در حداکثر سازی آنتروپی است. این یک تغریف علمی جامع و انتزاعی هست، دقیقا مانند دما که بصورت ضرب کننده‌ی لاگرانژ برای محدودیت متوسط انرژی تعریف می‌شود.

در الکتروشیمی و بعضی شاخه‌های مرتبط، کلمه پتانسیل شیمیایی برای مفهوم تغییرات اساسی (ولی مرتبط) استفاده می‌شود که بصورت پتانسیل شیمیایی درونی (internal chemical potential) تعریف می‌شود.

در فیزیک نیمه رسانا، پتانسیل شیمیایی یک سیستم از الکترون‌ها به عنوان تراز فرمی (Fermi level).(منبع:http://www.roshd.ir/Default.aspx?tabid=296&EntryID=3028&SSOReturnPage=Check&Rand=0)

معادله بنیادی ترمودینامیک برای سیستمی متشکل از n گونه که در آن از گونه iام N ذره وجود دارد به شکل زیر می باشد

 dG = -SdT + VdP + \sum_i^n \mu_i dN_i \,

در دما و فشار ثابت این معادله بصورت زیر ساده می شود

 dG = \sum_i^n \mu_i dN_i = \mu_1dN_1 + \mu_2dN_2 + ...\,

طبق تعریف پتانسیل شیمیایی گونه iام به شکل زیر خواهد بود

\mu_i=\left(\frac{\partial G}{\partial N_i}\right)_{T,P,N_{j\neq i}}

اگر در طی فرایند دما و حجم سیستم ثابت نگه داشته شود در اینصورت می توان پتانسیل شیمیایی را بصورت زیر تعرف نمود

\mu_i = \left(\frac{\partial A}{\partial N_i}\right)_{T,V, N_{j \ne i}}

در حالت تعادل انرژی آزاد کمترین مقدار را خواهد داشت، به عبارت دیگر dG=0. و یا مجموع پتانسیل شیمیایی گونه های مختلف در سیستم برابر صفر خواهد شد

 \mu_1dN_1 + \mu_2dN_2 + ... = 0\,

منابع[ویرایش]

  • مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا، «Chemical potential»، ویکی‌پدیای انگلیسی، دانشنامهٔ آزاد (بازیابی در ۲۳ فوریه ۲۰۱۳).