kjemisk potensial

Komponentene i kjemisk potensial (µ) med referansepotensial µ* er:

µ = µ* + RTln a + VP + zFE + mgh

RTln a er effekten av oppløste stoffer på det kjemiske potensial av stoffet.

• R er gasskonstanten 8,314 J mol^-1 K^-1
• T er absolutt temperatur målt i kelvin (K)
• ln er den naturlige logaritmen med grunntall e
• a er aktiviteten som under ideelle betingelser er lik konsentrasjonen av stoffet
• VP er effekten av trykk og volum på det kjemiske potensialet, hvor V er partielt molart volum og P er trykk
• Leddet zFE angir effekt av elektrisk ladning, hvor F er faradaykonstanten, E er spenning og elektrisk potensial og z er ladning
• Effekten av tyngekraft og høyde er gitt ved leddet mgh, hvor g er gravitasjonskonstanten, h er høyden målt i meter, og m er massen til et mol

Sammenhengen mellom konsentrasjon (c) og aktivitet (a) er gitt ved en aktivitetskoeffisient γ, hvor a = γc (Debye-Hückels teori).

Denne energien utnyttes i osmosekraftverk, hvor rent vann utfører arbeid når vannet passerer over en semipermeabel membran og inn i en saltløsning.

Gibbs fri energi (ΔG) er energi som er tilgjengelig for å utføre arbeid. Den frie energien som ligger lagret i en konsentrasjonsgradient av uladete oppløste stoffer, kan uttrykkes som

ΔG = – RTln c₂/c₁

hvor c₁ og c₂ er konsentrasjonen av oppløste stoffer i to kompartementer som er atskilt av en semipermeabel membran. Er c₂ større enn c₁ blir logaritmen til forholdet større enn null, det vil si at ΔG blir negativ. Hvis ΔG er negativ, vil det si at reaksjonen kan skje med frigivelse av energi, en eksoterm reaksjon.

For spontane prosesser minsker Gibbs energi ved konstant trykk og temperatur, og reduksjonen er lik maksimal mengde energi som er tilgjengelig for å utføre arbeid. Det at reaksjonen er eksoterm, betyr ikke nødvendigvis at den skjer raskt.

Diamant blir omdannet til grafitt i en eksoterm reaksjon, men den skjer meget sakte. Den motsatte reaksjonen, hvor grafitt blir omdannet til diamant, krever høyt trykk og temperatur. Hvis ΔG er positiv, må det tilføres energi for å få en reaksjon i systemet, en endoterm reaksjon.

Gibbs energi kan relateres til likevektskonstanten K

ΔG = −RTlnK

VP er effekten av trykk og volum på det kjemiske potensialet hvor P er trykk, men det er vanlig å angi P som forskjellen mellom atmosfæretrykk og det aktuelle trykk. V er partielt molart volum, det vil si volumet som et mol av stoffet inntar. Trykk kan utføre arbeid. Temperaturen påvirker Gibbs energi for en ideell gass (Gibbs-Helmholtz-ligningen).

Leddet zFE angir effekt av elektrisk ladning, hvor F er faradaykonstanten, det vil si ladningen til ett mol protoner eller elektroner, altså 96490 coulomb mol^-1 = 96490 J mol^-1 V^-1. E er spenning og elektrisk potensial, z er ladning. z = 1 for enverdige ioner, z= 2 for toverdige ioner og så videre. For et elektron blir z = −1.

Det er mye potensiell energi i ladningsforskjeller. Kjemisk energi kan bli omdannet til elektrisk energi. Det er en ladningsseparasjon og elektrisk potensialforskjell over cellemembraner bestående av et dobbeltlag med fosfolipider, tykkelse cirka 7 – 10 nanometer (nm), noe som gir svært stor spenningsforskjell per cm. Membranpotensialet gir et mål på størrelsen av den elektrokjemisk gradienten over en cellemembran, en elektrisk gradient produsert av ektrogene pumper og en kjemisk konsentrasjonsgradient som skyldes diffusjon av ioner gjennom ionekanaler fra høy konsentrasjon til lav konsentrasjon, og som lager et diffusjonspotensial. Det elektrokjemisk potensial i litiumion batteri forklarer hvorfor en elektrisk bil kan kjøre langt sammenlignet med mengden fossilt drivstoff som trengs for å kjøre den samme distansen. Dette forklarer hvorfor ladningsforskjeller over cellemembraner, eller elektrisitet kan brukes til å utføre arbeid. Siden z for vann er lik 0, kan dette leddet utelates når vi snakker om kjemisk potensial for vann. Hvis det er ioner som beveger seg, blir Gibbs fri energi lik:

ΔG = −nFΔE

hvor n er ladningen til ionet, F er faradaykonstanten og ΔE er membranpotensialet med samme fortegn som ladningen av ionet.

Elektrontransport er fundamentalt for alt liv i respirasjon og fotosyntese, og endringen i elektrisk energi ved å flytte ett mol elektroner er ΔG = −nFΔE . Gibbs energi er proporsjonalt med forskjellen i elektrisk potensial ΔE. Hvis elektroner forflytter seg mot mer positivt elektrisk potensial hvor ΔE er større enn null (ΔE > 0), så blir ΔG negativ og det blir frigitt energi. Det er dette som skjer når elektroner faller nedover en redoksskala i fotosyntesens elektrontransport fra et mer negativt redokspotensial til et mer positivt redokspotensial.

På den annen side, når ΔE < 0, så blir ΔG positiv og det må tilføres energi for at reaksjonen skal skje. I fotosyntesen trengs det for eksempel lysenergi for å flytte elektroner fra redokspotensialet til vann til redokspotensialet for eksitert reaksjonssenterklorofyll. Denne forklarer hvorfor plantene må ha to fotosystemer for å flytte elektroner fra vann til NADPH i fotosyntesen, mens fotosyntetiske bakterier, unntatt blågrønnbakteriene, klarer seg med ett fotosystem.

Effekten av tyngekraft og høyde er gitt ved leddet mgh, hvor g er gravitasjonskonstanten 9,806 m s⁻²; h er høyden målt i meter, og m er massen til et mol. Høydeleddet for det kjemiske potensialet for vann forklarer hvorfor høydeforskjeller for vann kan utnyttes i et vannkraftverk. Atmosfæretrykket, som er lik cirka 0,1 megapascal (MPa) kan holde oppe en vannsøyle på 10,3 meter, tilsvarende 760 millimeter kvikksølv (Hg). Det betyr at en vannpumpe som opererer med atmosfæretrykk, ikke klarer å løfte vann høyere enn 10,3 meter.

En liter vann inneholder 55,5 mol, og molvolumet for vann er 18 milliliter (cm³) per mol. Vannpotensial er et viktig begrep for å kunne forklare vanntransport i planter. Ved regnetrikset å dividere joule per mol med m³ per mol, får vannpotensial måleenheten newton per kvadratmeter (N/m²), det vil si trykk målt i pascal (Pa). En pascal vil si en newton per kvadratmeter. 1 Pa = 1 N m⁻² = 1J m⁻³ = 1 kg m⁻¹ s⁻². Det kjemiske potensialet kan bli brukt til å utlede Nernst-ligningen.

• energi