Il potenziale chimico \mu_i misura quanto cambia l’energia libera di Gibbs quando si aggiunge una quantità infinitesima del componente i a temperatura, pressione e quantità degli altri componenti fissate:
È una grandezza intensiva e rappresenta il contributo marginale del componente i all’energia libera del sistema. La variazione differenziale di G per una miscela può essere scritta:
A temperatura e pressione costanti, il termine che governa scambi e reazioni è quindi la somma dei potenziali chimici pesati dalle variazioni di quantità di sostanza.
Il potenziale chimico decide il verso del trasferimento di materia. Un componente tende a muoversi da regioni o fasi in cui il suo potenziale chimico è maggiore verso regioni o fasi in cui è minore. Non basta confrontare concentrazioni: interazioni, pressione, temperatura e attività possono cambiare il valore di \mu_i.
All’equilibrio tra due fasi:
Questa condizione esprime il fatto che non esiste più una forza termodinamica netta che spinga il componente da una fase all’altra. È alla base di equilibrio liquido-vapore, solubilità, osmosi, diffusione e transizioni di fase.
Per gas ideale:
Per soluzioni:
L’attività a_i sostituisce la concentrazione o frazione molare quando la soluzione non è ideale. In soluzioni ideali può coincidere con una frazione molare; in soluzioni reali include coefficienti di attività. Per gas reali si usa spesso la fugacità, che corregge la pressione parziale.
Nelle reazioni chimiche, il potenziale chimico entra nell’energia libera di reazione:
All’equilibrio \Delta_r G=0; se è negativa, la reazione procede spontaneamente nel verso diretto nelle condizioni considerate. Un errore comune è interpretare \mu_i come una “energia per mole” fissa della sostanza: dipende dallo stato termodinamico e dalla composizione della miscela.
Vedi anche: Attività Chimica, Fugacità, Regola delle Fasi di Gibbs.