Potencial químico

Electrones en solidoseditar

Los electrones en sólidos tienen un potencial químico, definido de la misma manera que el potencial químico de una especie química: El cambio en la energía libre cuando se agregan o eliminan electrones del sistema. En el caso de los electrones, el potencial químico se expresa generalmente en energía por partícula en lugar de energía por mol, y la energía por partícula se da convencionalmente en unidades de electrovoltios (eV).

El potencial químico juega un papel especialmente importante en la física de estado sólido y está estrechamente relacionado con los conceptos de función de trabajo, energía de Fermi y nivel de Fermi. Por ejemplo, el silicio de tipo n tiene un mayor potencial químico interno de electrones que el silicio de tipo p. En un diodo de unión p-n en equilibrio, el potencial químico (potencial químico interno) varía del lado de tipo p al de tipo n, mientras que el potencial químico total (potencial electroquímico, o nivel de Fermi) es constante en todo el diodo.

Como se describió anteriormente, al describir el potencial químico, uno tiene que decir «relativo a qué». En el caso de los electrones en semiconductores, el potencial químico interno a menudo se especifica en relación con algún punto conveniente en la estructura de la banda, por ejemplo, en la parte inferior de la banda de conducción. También se puede especificar «en relación con el vacío», para producir una cantidad conocida como función de trabajo, sin embargo, la función de trabajo varía de superficie a superficie incluso en un material completamente homogéneo. El potencial químico total, por otro lado, generalmente se especifica en relación con la tierra eléctrica.

En física atómica, el potencial químico de los electrones en un átomo a veces se dice que es el negativo de la electronegatividad del átomo. Del mismo modo, el proceso de ecualización del potencial químico a veces se conoce como el proceso de ecualización de la electronegatividad. Esta conexión proviene de la escala de electronegatividad de Mulliken. Al insertar las definiciones energéticas del potencial de ionización y la afinidad electrónica en la electronegatividad Mulliken, se ve que el potencial químico Mulliken es una aproximación de diferencia finita de la energía electrónica con respecto al número de electrones., es decir,

μ Mulliken = – χ Mulliken − – I P + E A 2 = δ N] N = N 0 . {\displaystyle \mu _{\text{Mulliken}}=-\chi _{\text{Mulliken}}=-{\frac {IP+EA}{2}}=\left}{\delta N}}\derecho]_{N=N_{0}}.}

Partículas subnucleareditar

En los últimos años, la física térmica ha aplicado la definición de potencial químico a sistemas de física de partículas y sus procesos asociados. Por ejemplo, en un plasma de quarks–gluones u otra materia QCD, en cada punto del espacio hay un potencial químico para fotones, un potencial químico para electrones, un potencial químico para número de bariones, carga eléctrica, etc.

En el caso de los fotones, los fotones son bosones y pueden aparecer o desaparecer muy fácil y rápidamente. Por lo tanto, en equilibrio termodinámico, el potencial químico de los fotones es siempre y en todas partes cero. La razón es que, si el potencial químico en algún lugar era mayor que cero, los fotones desaparecerían espontáneamente de esa área hasta que el potencial químico volviera a cero; del mismo modo, si el potencial químico en algún lugar era menor que cero, los fotones aparecerían espontáneamente hasta que el potencial químico volviera a cero. Dado que este proceso ocurre extremadamente rápidamente (al menos, ocurre rápidamente en presencia de materia cargada densa), es seguro asumir que el potencial químico del fotón nunca es diferente de cero.

La carga eléctrica es diferente porque se conserva, es decir, no se puede crear ni destruir. Sin embargo, puede difundirse. El» potencial químico de la carga eléctrica » controla esta difusión: la carga eléctrica, como cualquier otra cosa, tenderá a difundirse de áreas de mayor potencial químico a áreas de menor potencial químico. Otras cantidades conservadas como el número bariónico son las mismas. De hecho, cada cantidad conservada está asociada con un potencial químico y una tendencia correspondiente a difundirse para ecualizarla.

En el caso de los electrones, el comportamiento depende de la temperatura y el contexto. A bajas temperaturas, sin positrones presentes, los electrones no pueden ser creados o destruidos. Por lo tanto, hay un potencial químico de electrones que puede variar en el espacio, causando difusión. A temperaturas muy altas, sin embargo, los electrones y los positrones pueden aparecer espontáneamente fuera del vacío (producción de pares), por lo que el potencial químico de los electrones por sí mismos se convierte en una cantidad menos útil que el potencial químico de las cantidades conservadas como (electrones menos positrones).

Los potenciales químicos de bosones y fermiones están relacionados con el número de partículas y la temperatura según las estadísticas de Bose–Einstein y Fermi–Dirac, respectivamente.

Ideal vs soluciones no idealesedItar

El potencial químico del componente i en solución para soluciones reales (izquierda) ideales y (derecha)

Generalmente el potencial químico se da como una suma de una contribución ideal y una contribución en exceso:

µ i = µ i ideal + µ i exceso , {\displaystyle \mu _{i}=\mu _{i}^{\text{ideal}}+\mu _{i}^{\text{exceso}},}

En una solución ideal, el potencial químico de la especie i (µi) es dependiente de la temperatura y la presión. µi0 (T, P) se define como el potencial químico de la especie pura i. Dada esta definición, el potencial químico de la especie i en una solución ideal es

µ i ideal ≈ µ i 0 + R T ln ⁡ ( x i ) , {\displaystyle \mu _{i}^{\text{ideal}}\approx \mu _{i0}+RT\ln(x_{i}),}

donde R es la constante de los gases, y x i {\displaystyle x_{i}}

es la fracción molar de la especie i que figuran en la solución. Tenga en cuenta que la aproximación solo es válida para x i {\displaystyle x_{i}}

que no se aproxima a cero.

Esta ecuación asume que µ i {\displaystyle \mu _{i}}

sólo depende de la fracción molar ( x i {\displaystyle x_{i}}

) que figura en la solución. Esto descuida la interacción intermolecular entre la especie i consigo misma y otras especies . Esto puede corregirse teniendo en cuenta el coeficiente de actividad de la especie i, definida como yi. Esta corrección de los rendimientos µ i = µ i 0 ( T , P ) + R T ln ⁡ ( x i ) + R T ln ⁡ ( γ i ) = µ i 0 ( T , P ) + R T ln ⁡ ( x i γ i ) . {\displaystyle \mu _{i}=\mu _{i0}(T,P)+RT\ln(x_{i})+RT\ln(\gamma _{i})=\mu _{i0}(T,P)+RT\ln(x_{i}\gamma _{i}).}