Potentiel chimique

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Le potentiel chimique pour une espèce chimique i, noté µi, est l'énergie libre de Gibbs molaire partielle de l'espèce :

\mu_i = \frac{\partial G}{\partial n_i}

où ni est la concentration de l'espèce i et G l'énergie libre de Gibbs du système.

On a évidemment :

G =\sum_i n_i \cdot \mu_i \qquad (1)

Concrètement, il s'agit de la variation de l'énergie libre du système lorsque l'on fait varier la concentration de l'espèce i, toutes choses restant égales par ailleurs.

Notons d'une part que la modification d'une concentration modifie nécessairement les autres, puisque la somme des concentrations doit toujours être égale à 1 (100 %). D'autre part, les concentrations de plusieurs espèces est souvent liées par un équilibre (réaction chimique). Cette notion de potentiel chimique n'est donc qu'une approximation ; elle est cependant largement utilisée car elle permet de modéliser simplement de nombreux phénomènes et d'en calculer l'ampleur, l'erreur commise étant négligeable.

Sommaire
1 Relation de Gibbs-Duhem
2 Loi d'Arrhénius
3 Réaction chimique
4 Migration
5 Énergie de surface

Relation de Gibbs-Duhem

L'énergie libre de Gibbs dépend de la pression P, de la température absolue t et des concentrations ni, on peut écrire la différentielle totale :

dG = \left ( \frac{\partial G}{\partial P} \right )_{T,n_i} \cdot dP + \left ( \frac{\partial G}{\partial T} \right )_{P,n_i} \cdot dT + \sum_i \left ( \frac{\partial G}{\partial n_i} \right )_{P,T} \cdot dn_i

soit

dG = \left ( \frac{\partial G}{\partial P} \right )_{T,n_i} \cdot dP + \left ( \frac{\partial G}{\partial T} \right )_{P,n_i} \cdot dT + \sum_i \mu_i \cdot dn_i

si l'on se place à pression et à température constants (dP = 0, dT = 0), on obtient

dG = \sum_i \mu_i \cdot dn_i

or d'après (1), on a aussi

dG = \sum_i \mu_i \cdot dni + \sum_i n_i \cdot d\mu_i

d'où la relation de Gibbs-Duhem :

à pression et température constants : \sum_i n_i \cdot d\mu_i = 0

Loi d'Arrhénius

Réaction chimique

Migration

Lorsqu'un milieu est hétérogène, le potentiel chimique d'une espèce va varier selon le lieu. Spontanément, une espèce va migrer vers les lieux où son potentiel chimique est le plus bas : l'énergie totale du système va ainsi baisser.

Cette migration selon le gradient de potentiel chimique est complémentaire de la diffusion passive (loi de Fick) ; elle peut aller dans le même sens ou s'y opposer.

La précipitation et décomposition spinodale sont des exemples de migration sous un gradient de potentiel chimique.

Énergie de surface

See also: Potentiel chimique, Chimie, Diffusion, Migration, Précipité, Réaction chimique