Химический потенциал

В открытых системах изменение внутренней энергии происходит не только в результате получения или отдачи теплоты и совершения работы, но и за счёт изменения масс, входящих в систему компонентов. Все свойства открытых систем и ΔG будут зависеть от количества каждого компонента:

,

где ΔG энергия Гиббса, – химический потенциал, – изменённое количество вещества системы выраженное в молях.

Химический потенциал – интенсивный параметр состояния. В условиях, и сохранения количеств всех других компонентов, μ равен частной производной энергии Гиббса по количеству компонента:

μ_i = (∂G/∂n_i)_{P,T, i ≠j}

Если в системе – компонентов, то .

Химический потенциал зависит от парциального давления компонента (для газов) или от его концентрации в растворе:

μ_i = μ_i^o+ RTlnp_i;

μ_i = μ_i^o+ RTlnc_i,

здесь μ_i^o стандартное значение химического потенциала, полученное при стандартных условиях и единичных концентрациях или давлениях.

Рассмотрим химически однородную гетерогенную систему (состоящую из одного компонента). Пусть в этой системе имеется граница раздела между фазами 1 и 2 (рис. 5.6). Если из фазы 1 в фазу 2 переходит вещества, то изменение энергии Гиббса в фазе 1 будет равно: ΔG ₁ = -μ ₁ Δn, а в фазе 2: ΔG ₂ = μ ₂ Δn (знак минус указывает на убыль энергии, + на ее увеличение). Общее изменение энергии системы будет равно их сумме:

ΔG = -μ ₁ Δn + μ ₂ Δn

Для того чтобы фазовый переход произошел ΔG < 0, что возможно при условии:

-μ ₁ Δn + μ ₂ Δn < 0, или μ ₁ > μ ₂

Отсюда следует вывод – фазовый переход компонента осуществляется из фазы с большим химическим потенциалом в фазу с меньшим.

Равновесие между фазами возможно только в том случае, когда химические потенциалы компонента в этих фазах равны:

.

Данный вывод можно распространить для общего случая перехода вещества из какой-либо системы в окружающую среду (открытые системы) и записать его так:

Независимо от числа компонентов открытой системы возможен переход любого из них в другую фазу окружающей среды и, наоборот, при условии выравнивания химических потенциалов этого компонента в фазах системы и среды. При равенстве химических потенциалов наступает равновесие между фазами – сколько вещества уходит из системы, столько же и возвращается.