Elektrochemisches Potential

Definition und Bedeutung

Das elektrochemische Potential μ̃ᵢ eines ladungstragenden Stoffes i verbindet dessen chemisches Potential μᵢ mit dem elektrischen Potential φ:

μ̃ᵢ = μᵢ + zᵢ · F · φ

Dabei ist zᵢ die Ladungszahl des Stoffes, F die Faraday-Konstante und φ das lokale elektrische Potential. Das elektrochemische Potential beschreibt damit sowohl chemische Einflüsse als auch die Wirkung eines elektrischen Feldes auf Ionen oder andere Ladungsträger.

Arbeit und Gleichgewicht

μ̃ᵢ gibt an, welche Arbeit nötig ist, um bei konstantem Druck p, konstanter Temperatur T und konstanten Stoffmengen aller übrigen Komponenten die Stoffmenge der Ladungsträgersorte i von nₐ auf nₑ zu erhöhen:

ΔG = ∫ₙₐⁿₑ μ̃ᵢ dnᵢ = 0 im Gleichgewicht.

Unter diesen Bedingungen entspricht die aufzubringende Arbeit der Änderung ΔG der Gibbs-Energie. Passive chemische Reaktionen mit Ionen laufen ab, bis die elektrochemischen Potentiale aller Systemkomponenten angeglichen sind; dann gilt ΔG = 0.

Erklärte Effekte

An Phasengrenzen, die nur für eine Ionensorte durchlässig sind, erklärt das Prinzip die Funktion der Glaselektrode zur pH-Messung. Es erklärt außerdem die Entstehung des Donnan-Potentials an biologischen Membranen und führt zur Herleitung der Nernst-Gleichung.

In Festkörpern entspricht das elektrochemische Potential von Elektronen bei T = 0 K ihrer Fermi-Energie. Gleichen sich die elektrochemischen Potentiale von Elektronen an der Kontaktfläche zwischen Metall und Halbleiter an, entsteht eine Schottky-Barriere. Diese ist für die Halbleitertechnik bedeutsam.

Abgrenzung zum Elektrodenpotential

Das Elektrodenpotential E hängt direkt mit dem elektrochemischen Potential zusammen, ist aber nicht dasselbe. E ist eine elektrische Spannung und damit Energie pro Ladung. Das elektrochemische Potential μ̃ᵢ ist dagegen eine Energie pro Mol.