Elektrochemisches Potential

Das elektrochemische Potential ${\widetilde {\mu }}_{i}$ ist das chemische Potential $\mu _{i}$ eines Ions $i$ in einem elektrischen Potential $\varphi$.

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

• $z_{i}$, Ladungszahl des Ions
• $\mathrm {F}$, Faraday-Konstante
• $\varphi$, Lokales elektrisches Potential

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

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

(Unter den genannten Bedingungen ist die aufzubringende Arbeit gleich der Änderung der Gibbs-Energie $\Delta G$ 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 ($\Delta G=0$).

Erklärte Effekte

Die Betrachtung dieses Prinzips an Phasengrenzen, die für nur eine Ionensorte durchlässig sind, erklärt die Wirkungsweise der Glaselektrode als pH-Messgerät sowie die Ausbildung des Donnan-Potentials (nach Frederick George Donnan) an biologischen Membranen und führt zur Herleitung der 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 $T=0~\mathrm {K}$. 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 ${\widetilde {\mu }}_{i}$ 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 ${\widetilde {\mu }}_{i}$ aber eine Energie pro Mol.

Siehe auch

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