Elektrische Doppelschicht, Nernst- und Zetapotential
Wie sich an einer geladenen Oberfläche in Elektrolytlösung starre und diffuse Ionenschicht bilden und wo Nernst- und Zetapotential im Potentialverlauf liegen.
Das Wichtigste in Kürze
- Die elektrische Doppelschicht besteht aus der Ladung einer festen Oberfläche und der Hülle aus Gegenionen, die sie in einer Elektrolytlösung anzieht.
- Die starre Schicht (innere Helmholtz-Schicht) liegt direkt an der Oberfläche, ist etwa 1 nm dick und enthält weitgehend unbewegliche Ionen.
- In der starren Schicht fällt das Potential linear ab, in der diffusen Schicht klingt es exponentiell auf null ab.
- Das Nernstpotential (elektrothermodynamisches Potential) liegt direkt an der festen Oberfläche.
- Das Zetapotential (elektrokinetisches Potential) ist die Potentialdifferenz zwischen Scherebene und Lösungsinnerem.
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Worum es geht
Feste Oberflächen in Elektrolytlösungen tragen fast immer eine Ladung, um die sich Gegenionen ordnen. Diese elektrische Doppelschicht bestimmt, wie Elektroden arbeiten und wie sich Teilchen in Suspensionen verhalten. Für Arzneiformen zählt vor allem das Zetapotential, weil es die Abstoßung zwischen Partikeln beschreibt.
Geladene Grenzflächen
Taucht ein Feststoff in eine Elektrolytlösung, lädt sich seine Oberfläche meist auf. Ursachen sind die Adsorption bestimmter Ionen oder die Dissoziation von Oberflächengruppen. Das gilt für Elektroden ebenso wie für Suspensionsteilchen, also für jede Grenzfläche zwischen fester und flüssiger Phase.
Die Oberflächenladung zieht entgegengesetzt geladene Gegenionen an. So entsteht die elektrische Doppelschicht: innen die Ladung der Oberfläche, außen eine Hülle aus Gegenionen. Diese Hülle hat zwei Teile, eine fest anliegende Lage und eine locker verteilte Ionenwolke.
Starre Schicht
Die erste Lage Gegenionen haftet direkt an der festen Oberfläche. Sie heißt starre Schicht oder innere Helmholtz-Schicht. Ihre Ionen sind weitgehend unbeweglich. An einer Elektrodenoberfläche ist sie nur etwa 1 nm dick.
Oberflächenladung und Gegenionenlage verhalten sich wie die zwei Platten eines Plattenkondensators. Dazwischen ist das Feld nahezu homogen. Deshalb fällt das Potential in der starren Schicht linear ab.
Nach außen folgt die diffuse Schicht. Hier konkurrieren elektrische Anziehung und Wärmebewegung. Die Ionen sind locker verteilt, der Überschuss an Gegenionen nimmt mit dem Abstand ab. Das Potential klingt in diesem Bereich exponentiell auf null ab, den Wert des Lösungsinneren.
Nernst- und Zetapotential
Das Potential direkt an der festen Oberfläche heißt Nernstpotential oder elektrothermodynamisches Potential. Es umfasst den gesamten Potentialabfall bis ins Lösungsinnere.
Bewegt sich ein Teilchen, nimmt es die starre Schicht mit. Die Grenze, an der die übrige Flüssigkeit abgleitet, heißt Scherebene. Sie liegt am äußeren Rand der starren Schicht. Die Potentialdifferenz zwischen Scherebene und Lösungsinnerem ist das Zetapotential (\(\zeta\)), auch elektrokinetisches Potential. Sein Betrag ist kleiner als der des Nernstpotentials, denn ein Teil des Potentials fällt schon in der starren Schicht ab. Messen lässt es sich über die Wanderung der Teilchen bei der Elektrophorese.
Im Schema aus Ionenverteilung und Potentialkurve ordnest du so zu:
- Starre Schicht: von der Wand bis zur gestrichelten Scherebene, mit linearem Abfall
- Nernstpotential: Höhe der Kurve an der Wand, gegen das Lösungsinnere gemessen
- Zetapotential: Höhe der Kurve an der Scherebene, ebenfalls gegen das Lösungsinnere
- Diffuse Schicht: exponentielles Abklingen jenseits der Scherebene
Ein hohes Zetapotential lässt gleich geladene Teilchen einander abstoßen. Was das für die Stabilität von Suspensionen und andere disperse Systeme bedeutet, steht dort.
Quiz
Aussage 1
Das Zetapotential ist die Potentialdifferenz zwischen der festen Oberfläche und der Scherebene.
Das Zetapotential reicht von der Scherebene bis ins Lösungsinnere. Der Abfall zwischen Oberfläche und Scherebene gehört zur starren Schicht.
Aussage 2
In der starren Schicht einer elektrischen Doppelschicht nimmt das Potential linear mit dem Abstand von der Oberfläche ab.
Oberflächenladung und anliegende Gegenionenlage wirken wie ein Plattenkondensator mit nahezu homogenem Feld, daher der lineare Abfall.
Aussage 3
Als elektrothermodynamisches Potential bezeichnet man das Potential, das direkt an der festen Oberfläche der Doppelschicht herrscht.
Das ist das Nernstpotential. Es liegt an der Wand und umfasst den gesamten Potentialabfall bis ins Lösungsinnere.
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