Potenciál mezi dvěma fázemi

Pro potenciály mezi dvěma fázemi (dvě prostředí − uvažujeme vodič tvořený tuhou fází, obklopen kapalinou):

Na povrchu tuhé fáze se vytváří elektrická dvojvrstva:

• orientací molekul, které mají charakter dipólu (např. u vody),
• vytvořením filmu (u kovů).

Pro průchod jednotkového náboje touto dvojvrstvou je třeba vynaložit práci zvanou povrchový potenciálový rozdíl χ (je způsoben silovými interakcemi blízkého dosahu).

Vnitřní neboli Galvaniho potenciál f

Galvaniho potenciál je dán součtem f = ψ + χ, kde:

• f − vnitřní (Galvaniho) potenciál,
• ψ − vnější (Voltův) potenciál (je dán existencí náboje tuhé fáze)
• χ − povrchový potenciální rozdíl (je dán existencí elektrické dvojvrstvy).

Galvaniho potenciál mezi dvěma kovy

Jsou-li od sebe dva kovy galvanicky odděleny, může mezi nimi existovat libovolný rozdíl napětí. Když jsou dva různé kovy uvedeny do elektronického kontaktu, elektrony budou proudit z kovu s nižším napětím na kov s vyšším napětím, dokud se úroveň Fermiho elektronů v objemu obou fází nevyrovnají. Skutečné množství elektronů, které prochází mezi dvěma fázemi, je malé (záleží na kapacitě mezi objekty), a zaplněnost elektronových pásů je prakticky beze změny. Rovnost elektrochemického potenciálu mezi dvěma různými fázemi v kontaktu lze zapsat jako:

${\overline {\mu }}_{j}^{(1)}={\overline {\mu }}_{j}^{(2)}$

kde:

• ${\overline {\mu }}$ je elektrochemický potenciál
• j označuje nositele elektrického proudu do systému (což jsou elektrony v kovech)
• (1) a (2) označuje fázi 1 a fázi 2, v tomto pořadí.

Elektrochemický potenciál je definován jako součet chemické a elektrostatické složky.

${\overline {\mu }}_{j}=\mu _{j}+z_{j}F\phi$

kde:

• μ je elektrochemický potenciál
• z je elektrický náboj nesený jediným nosičem náboje
• F je Faradayova konstanta
• Φ je elektrostatický potenciál

Z obou výše uvedených rovnic:

$\phi ^{(2)}-\phi ^{(1)}={\frac {\mu _{j}^{(1)}-\mu _{j}^{(2)}}{z_{j}F}}$

kde rozdíl na levé straně je Galvaniho rozdíl potenciálů mezi fázemi (1) a (2). To znamená, že Galvaniho rozdíl potenciálů je určen výhradně chemickým rozdílem těchto dvou fází, konkrétně jde o rozdíl chemického potenciálu nosičů náboje ve dvou fázích. Galvaniho rozdíl potenciálů mezi elektrodou a elektrolytem (nebo mezi jinými dvěma elektricky vodivými fázemi) je utvářen analogickým způsobem.

Vnější neboli Voltův potenciál ψ

V elektrochemii jde o elektrostatický potenciálový rozdíl mezi dvěma body („1“ a „2“) ve vakuu.

• Bod „1“ je blízko k povrchu kovu M1
• Bod „2“ je blízko k povrchu kovu M2 (nebo k elektrolytu)

kde M1 a M2 jsou kovy, které jsou v kontaktu a v termodynamické rovnováze.

Jsou-li od sebe dva kovy galvanicky odděleny, může mezi nimi být libovolný potenciálový rozdíl. Když jsou dva různé neutrálně nabité kovy uvedeny do elektrického kontaktu, elektrony budou proudit z kovu s vyšší Fermiho energií do kovu s nižší Fermiho energií, dokud nebudou Fermiho energie obou fází stejné. Jakmile k tomu dojde, oba kovy jsou v termodynamické rovnováze (skutečný počet elektronů procházející kovy je obvykle malý). To ale neznamená, že i elektrické potenciály jsou si rovny. Elektrický potenciál každého kovu je řízen jeho pracovní funkcí (W), a tak rozdílné kovy vykazují rozdílné elektrické potenciály i v rovnováze.

Pracovní funkce (W) je práce potřebná k přenesení jednotkového náboje z nekonečna do vzdálenosti zhruba 10–8 mm od povrchu elektricky nabité tuhé fáze.

Voltův potenciál není vnitřní vlastnost dvou společně posuzovaných kovů, je spíše určen rozdíly pracovních funkcí mezi povrchy kovů a závisí na stavu povrchu, znečištění atd.

Definice používaných potenciálů

Elektrický potenciál V

Nulový potenciál − potenciál v nekonečné vzdálenosti od uvažovaného vodiče. Působení elektrostatických sil lze zanedbat; v praxi se často za nulový potenciál považuje potenciál země.

Vnitřní (Galvaniho) potenciál ϕ

Vnitřní potenciál dané fáze (tuhé) na povrchu v prostředí jiné fáze.

ϕ=ψ + χ

Vnější (Voltův) potenciál ψ

Potenciál v zanedbatelné vzdálenosti (cca 10 mm) od povrchu uvažované fáze.

Povrchový potenciální rozdíl χ

Potenciál elektrické dvojvrstvy.

Elektrochemický potenciál μ

Součet chemické a elektrostatické složky.

μi=μi0 + zi F ϕ

Chemický potenciál μi0

μi0=μo + R T ln ci

Charakterizuje Gibbsovu energii, tj. práci odpovídající chemické změně i-té složky.

Odkazy

Související články

• Potenciál
• Potenciál bodového náboje a na rozhraní fází

Zdroje

• AMLER, . Elektřina a magnetizmus [přednáška k předmětu Biofyzika, obor Všeobecné lékařství, 2. LF Karlova Uni]. Praha. 25.10.2013. 

• https://en.wikipedia.org/wiki/Volta_potential
• https://en.wikipedia.org/wiki/Galvani_potential
• LABORATOŘ MIKROSKOPIE ATOMÁRNÍCH SIL, Univerzita Palackého v Olomouci. Fermiho energie [online]. [cit. 2014-03-20]. <http://atmilab.upol.cz/vys/fermi.html>.