פוטנציאל כימי

פוטנציאל כימי (μ) הוא כמות האנרגיה שצריך להשקיע כדי להוסיף חלקיק למערכת בטמפרטורה נתונה. לפעמים מבלבלים בינו לבין אנרגיית פרמי, שהיא האנרגיה של הרמה המאוכלסת הגבוהה ביותר בטמפרטורת האפס.

הגדרה מעשית: הפוטנציאל הכימי הוא השינוי באנרגיה חופשית של הלמהולץ (Helmholtz free energy) כשמוסיפים חלקיק, בתנאי טמפרטורה ונפח קבועים. יש גם הגדרה שקושרת אותו לשינוי באנרגיית המערכת כשהאנטרופיה S והנפח קבועים. אנטרופיה היא מדד לסדר או לבלגן במערכת.

חלקיקים נוטים לנוע מפוטנציאל כימי גבוה לנמוך. זו גרסה כללית של המושג "לרדת במורד פוטנציאל", כמו בכדור שמתגלגל למטה מגבעה. לדוגמה, מולקולות עוברות מאזורים צפופים לפריטים דלילים עד שהריכוז שווה בכל מקום. ברמה המיקרוסקופית זה נובע מתנועה אקראית של המולקולות, אך אפשר להמחיש זאת גם באמצעות פוטנציאלים כימיים: באזור צפוף הפוטנציאל גבוה יותר, ובמעבר לפוטנציאל נמוך משתחררת אנרגיה חופשית. לכן המהלך הוא ספונטני.

דוגמה נוספת היא מעבר פאזה של מים וקרח. מעל 0°C למולקולות במים נוזליים יש פוטנציאל כימי נמוך יותר מאשר בקרח, ולכן הקרח נמס. מתחת ל-0°C הפוטנציאל בקרח נמוך יותר ולכן הקרח גדל. בדיוק ב-0°C שני הפוטנציאלים שווים ויש שיווי משקל.

פוטנציאלים כימיים חשובים להבנת שיווי משקל בתהליכים כמו התכה, רתיחה, התאיידות, מסיסות ואוסמוזה. באלקטרוכימיה צריך לקחת בחשבון גם את הפוטנציאל האלקטרוכימי, שהוא הסכום של הפוטנציאל הכימי וכוח חשמלי. הוא זה שקובע את תנועת היונים, כי הוא כולל השפעות חשמליות שהפוטנציאל הכימי לא כולל.

פוטנציאל כימי הוא כמה אנרגיה צריך כדי להוסיף חלקיק למערכת. אפשר לחשוב עליו כמו גובה שממנו משהו יכול לגלול.

חלקיקים נעים מאזור שבו הפוטנציאל הכימי גבוה לאזור שבו הוא נמוך. זה דומה למולקולות שמתפזרות מאזור צפוף לאזור ריק. הן עושות זאת לבד, כי זה מצב פשוט ו"נוח" יותר.

דוגמה פשוטה: כוס מים עם קוביות קרח. מעל 0 מעלות הצלזיוס המים רוצים להיות נוזליים, אז הקרח נמס. מתחת ל-0 הקוביות גדלות. בדיוק ב-0 מעלות שני המצבים שווים, ולכן לא משתנה דבר.

פוטנציאל כימי עוזר להסביר מדוע דברים נמסים, מתאדים או מתערבבים. באלקטרוכימיה מוסיפים גם כוח חשמלי שמשפיע על היונים.