Elektrochemisches Potential

Das elektrochemische Potential[1] ${\displaystyle {\overline {\mu }}_{i}}$ ist das chemische Potential ${\displaystyle \mu _{i}}$ eines Ions ${\displaystyle i}$ in einem elektrischen Potential ${\displaystyle \varphi }$.

${\displaystyle {\overline {\mu }}_{i}=\mu _{i}+z_{i}\mathrm {F} \varphi }$

• ${\displaystyle z_{i}}$ Ladungszahl des Ions
• F, Faraday-Konstante, F = 96485.33 C / mol
• ${\displaystyle \varphi }$, Lokales elektrisches Potential

${\displaystyle {\overline {\mu }}_{i}}$ gibt an, wie viel Arbeit aufzubringen ist, um in einem System bei konstantem Druck ${\displaystyle P}$, konstanter Temperatur ${\displaystyle T}$ und konstanten Stoffmengen aller anderen Systemkomponenten, die Menge der Ionensorte ${\displaystyle i}$ von ${\displaystyle n_{a}}$ auf ${\displaystyle n_{e}}$ zu erhöhen.

${\displaystyle \Delta G=\int _{n_{a}}^{n_{e}}{\overline {\mu }}_{i}\,dn_{i}{\overset {\text{Gleichgewicht}}{=}}0}$

(Unter den genannten Bedingungen ist die aufzubringende Arbeit gleich der Änderung der Gibbs-Energie ${\displaystyle \Delta G}$ des Systems. Vergleiche chemisches Potential.)

Da jede Potentialdifferenz die Fähigkeit eines Systems beschreibt, Arbeit zu verrichten, laufen passive chemische Reaktionen unter Beteiligung von Ionen solange ab, bis sich die elektrochemischen Potentiale aller Systemkomponenten angeglichen haben (${\displaystyle \Delta G=0}$).

Erlärte Effekte

Die Betrachtung dieses Prinzips a​n Phasengrenzen, d​ie für n​ur eine Ionensorte durchlässig sind, erklärt d​ie Wirkungsweise d​er Glaselektrode a​ls pH-Messgerät s​owie die Ausbildung d​es Donnan-Potentials (nach Frederick George Donnan) a​n biologischen Membranen u​nd führt z​ur Herleitung d​er Nernst-Gleichung.

Das Konzept ist nicht auf Ionen beschränkt, sondern kann auf alle elektrisch geladenen Teilchen angewandt werden. So ist zum Beispiel die Fermi-Energie der Elektronen eines Festkörpers gleich ihrem elektrochemischen Potential bei Temperatur ${\displaystyle T=0~\mathrm {K} }$. Die Angleichung der elektrochemischen Potentiale der Elektronen über die Kontaktfläche zwischen einem Metall und einem Halbleiter führt zur Ausbildung einer Schottky-Barriere, die in der Halbleitertechnik von Bedeutung ist.

Abgrenzung

Das Potential E einer Elektrode ist zwar ein in der Elektrochemie besonders wichtiges Potential und hängt direkt vom hier behandelten elektrochemischen Potential ${\displaystyle {\overline {\mu }}_{i}}$ ab, unterscheidet sich aber von der hier gegebenen strengen Definition des elektrochemischen Potentials: E ist eine elektrische Spannung, also eine Energie pro Ladung, das hier behandelte Potential ${\displaystyle {\overline {\mu }}_{i}}$ aber eine Energie pro Mol.

Siehe auch

• Elektrochemische Spannungsreihe
• Elektrochemischer Gradient
• Elektrochemische Triebkraft
• Elektrochemisches Gleichgewicht
• Konzentrationsgradient
• Nernst-Planck-Gleichung
• Galvani-Spannung
• Volta-Spannung

Einzelnachweise

1. elektrochemisches Potential. Abgerufen am 28. Dezember 2020.