Doble capa eléctrica en la interfase metal/electrolito: fases y potenciales

Doble Capa Eléctrica: Fases e Interacciones en la Interfase Metal/Electrolito

Fases de la Doble Capa Eléctrica

La doble capa eléctrica se forma en la interfase entre un metal y un electrolito, y se compone de varias fases distintas:

Fase Interfacial

Es una región homogénea en dos dimensiones, resultado de la interacción entre la carga del metal y los iones del electrolito.

Fase Metálica

Esta fase posee una carga neta debido a la alta movilidad electrónica. La carga reside en la superficie y se considera una carga superficial, medida por la densidad de carga q_m (carga/superficie), típicamente en μcoul/cm². El potencial interno de la fase metálica, Φ_m, no puede medirse de forma absoluta.

Zona Interna

Es una zona de diámetro molecular que contiene moléculas del disolvente y, a veces, iones adsorbidos específicamente sobre la superficie. La adsorción específica implica una interacción no puramente electrostática entre el adsorbente y el adsorbato. Si la especie adsorbida es un ion, se define el plano interno de Helmholtz (IHP) como el plano que pasa por el centro de masa de estos iones. La densidad de carga en esta zona, q_i, se expresa en las mismas unidades que q_m. El potencial del plano IHP se define como Φ(x_i), donde x_i es la distancia entre la superficie metálica (x=0) y el plano.

Zona Difusa

Esta zona está formada por iones que interactúan con el electrodo únicamente a través de interacciones electrostáticas y que conservan su esfera de solvatación prácticamente intacta. El carácter difuso surge del equilibrio entre la agitación térmica, que tiende al desorden, y la interacción electrostática, que promueve el orden. El plano externo de Helmholtz (OHP) es el plano imaginario que pasa por los centros de los iones solvatados más cercanos a la superficie metálica, y su distancia a la superficie se denota como x₂.

Los iones no adsorbidos se encuentran en una zona tridimensional, la zona difusa, que se extiende desde el OHP hasta el seno de la disolución (matemáticamente, hasta x=∞). La densidad de carga por volumen originada en esta zona se denota como q_d. La electroneutralidad de la interfase exige que q_m + q_s = q_m + q_i + q_d = 0, donde q_s es la densidad de carga en la disolución. Aunque q_m y q_i son densidades de carga superficial, q_d también se expresa en coul/cm² y representa la carga total encerrada desde el OHP hasta el seno de la disolución.

El valor del potencial en el plano OHP es Φ(x₂), y la diferencia Φ(x₂) - Φ_s, donde Φ_s es el potencial interno del seno de la disolución, se denomina Φ₂, potencial zeta o electrocinético.

La diferencia de potencial en la interfase metal/electrolito se mide como ΔΦ = Φ_m - Φ_s.