电化学极化和浓差极化的动力学研究
摘要：电极过程的进行速度在金属保护、腐蚀分析等电化学实践领域有重要应用，加深对它的理解很有必要。电极反应速度由控制步骤，即速度最慢的单元步骤决定。本文讨论了电化学反应和液相传质这两个单元步骤的动力学规律，以及当整个电极反应由电化学极化控制、浓差极化或者是两类极化共存时的极化规律。
关键词：控制步骤；电化学极化；浓差极化；过电位；极化电流
引言
电极过程是由一系列性质不同的单元步骤串联组成的复杂过程，一般有液相传质、前置转化、电化学反应、随后转化和反应后的液相传质五个步骤。每一步骤都有不同的特性，步骤的反应速度取决于其活化能，当某一步骤的速度远远小于其他步骤，则整个电极反应速度等于这个最慢步骤，一般称之为控制步骤。文献指出，只要整个反应中有一个步骤的活化能比其余高出8~10KJ/mol以上，则能成为控制步骤；而当两个单元步骤的活化能相差不到4KJ/mol时，它们的反应速度相差不到5倍，则可能同时成为控制步骤，称为混合控制。混合控制的规律比较复杂，但仍会有一个控制步骤起较主要的作用。因此研究控制步骤的规律对于了解整个电极反应的速度规律，以及控制电极反应的速度和反应进行的方向均有重要意义。本文中主要讨论的是电化学反应步骤和液相传质步骤的动力学规律，并讨论当其成为控制步骤时的极化规律。
电化学反应步骤指反应物质在电极/溶液界面得失电子，从而发生还原或氧化反应的过程。这一单元步骤包括了化学反应和电荷传递两步，是整个电极过程的核心步骤。当电化学反应步骤成为电极过程的控制步骤时，电极反应的速度就取决于电化学反应步骤。电极过程最重要特征之一就是由于电子参与反应，电极电位的改变将对反应速度将从热力学和动力学两个方面产生影响，因此讨论电化学反应步骤时先从电极电位的影响谈起。
由于液相中的反应粒子需要通过传质过程输送至电极表面，反应产物也需要
离开电极表面，因而液相传质步骤是电极过程中的重要环节。当电极体系中通过电流密度很大、电化学反应速度很快时，电极反应往往由液相传质步骤控制。在讨论液相传质步骤时，只讨论了稳态传质过程，因为存在对流的情况下，扩散传质都会趋于稳态，我们就先从简单的理想稳态推至真实条件下的稳态传质。
另，本文先从单一控制步骤入手，再扩展到电化学和传质步骤混合控制时的情况，如此构成了本文——电极反应动力学篇，但其间其他步骤如前置转化、后置转化等没有涉及的步骤，并不是其不可能构成控制步骤，而只是择取了最重要的两个单元步骤论述。
1.电化学步骤动力学
电极反应的特点是反应速度与电极电位相关，人们可以在一定范围内任意地和连续地改变表面上的电场强度和方向，因而就能在一定范围内随意和连续地改变电极反应的活化能和反应速度。电极电位一般是通过以下两种方式来影响电极反应速度的：（1）电化学反应步骤是非控制步骤时，通过改变电极电位来改变某些粒子的表面浓度，从而影响有这些粒子参加的控制步骤的反应速度，称之为“热力学方式”影响电极反应速度；（2）电化学反应步骤是控制步骤，改变电极电位直接改变整个电极反应的进行速度，称之为“动力学方式”。我们先讨论第二种情况。
1.1电极电位对电化学反应步骤活化能的影响
图1 化学反应体系自由能
当发生化学反应时，由化学动力学，反应粒子必须吸收一定的能量，激发至活化态才有可能发生向产物的转化。图1中1G 为反应物和活化态之间的体系自
由能之差，即正向反应活化能；2G 为反应产物和活化态之间的体系自由能之差，
即逆向反应活化能。一般12G G ≠ ，故正向反应和逆向反应速度不相等，整个
体系的净反应速度即为二者的代数和。
当发生电极反应M e M +-??→+←??
时，这一反应可以看作是溶液中的M +转移到晶格上及其逆过程。M +
在两相间转移时涉及的活化能曲线可用图2表示，0G 和0G 分别表示还原反应和氧化反应的活化能。
进行阐述时按照参考资料做出三种假设：
（1）溶液中参与反应的M +离子位于外亥姆赫兹平面，电极上参加反应的M +粒子位于电极表面的晶格中，活化态位于这二者之间的某个位置。
（2）电极/溶液界面不存在任何特性吸附，也不存在除了离子双电层以外的其他相间电位。
（3）溶液浓度足够大，以至于双电层几乎完全是紧密结构，即可认为双电层电位差完全分布在紧密层中，1?=0。
取溶液深处内电位为零，按照上述假设，电极/溶液之间的内电位差0φ?=
，图2 电极电位对位能曲线的影响
即电极的绝对电位等于零。已知电化学体系中，带电粒子的能量可以用电化学位表示，nF μμφ=+，则有：当0φ?=（没有界面电场）时，0M φ=，M +在氧化还原反应中的自由能变化就等于它的化学位变化，所进行的反应是一个纯化学反应。
当电极/溶液界面存在界面电场时，电极的绝对电位为φ?，当φ?>0时，如图2，曲线1为零电荷电位时的位能曲线。曲线4为由于界面电场的存在，紧密层内的各个位置上的M +位能的增加线。曲线2为曲线1和曲线4的叠加，为M +离子在双电层电位差为φ?时的位能曲线。
与零电荷电位时相比，由于界面电场的影响，氧化反应活化能减小了，还原反应活化能增大了，即有：
0G G F αφ?=?+?
0G G F βφ?=?-?
式中：G ? 和G ? 分别表示还原反应和氧化反应的活化能；α和β为用来描述电极电位对反应活化能影响程度的参数，数值介于0和1之间的常数，称作传递系数或者对称系数，有α+β=1。
当电极的绝对电位φ?<0时,由于界面电场的影响，氧化反应活化能增大了，还原反应活化能减小了，仍符合上式。
根据讨论中的假设，在只存在离子双电层的前提下，电极的绝对电位φ?在零电荷电位时为零，故可用零标电位代替绝对电位进行讨论，也可将式中的零标电位换算成常用的氢标电位。按照相似的方法可以分析惰性电极上的氧化还原反应，改变电极电位对阳极反应和阴极反应活化能的影响与之前讨论完全一致。 综上所述，可以得出电极电位的改变对电极反应活化能的影响关系，即：
0G G nF α??=?+
0G G nF β??=?-
式中：?为电极的相对电位；0G ? 和0G ? 分别表示在所选用的电位坐标系的零点
时的还原反应活化能和氧化反应活化能；n 为一个电子转移步骤一次转移的电子数。
1.2电极电位对电化学反应步骤速度的影响
设电极反应为-
O+ne R ??→←??，设G ? 和G ? 分别表示还原反应和氧化反应的活化能，根据反应动力学，此时用电流密度表示单位电极表面上的还原反应和氧化反应的绝对速度，
exp()o G i nFkc RT
?=- exp()R G i nFkc RT
?=- 式中：i 表示还原反应电流密度，i 表示氧化反应电流密度，均取绝对值；k 和k 为指前因子；o c 和R c 分别为O 粒子和R 粒子在电极表面的浓度，但由于此时研
究的是电化学反应作为控制步骤，可认为液相传质步骤处于准平衡态，电极表面附近液层和溶液主体之间不存在反应粒子的浓度差，因此可近似将其看做溶液主体中反应粒子的浓度。
将活化能与电极电位的关系式代入，得
0exp()o G nF i nFkc RT
α??+=- =exp()o nF nF Kc RT α?- 0exp()R G nF i nFkc RT
β??-=- =exp()R nF i nF Kc RT β?= 式中：K 和K 为0?=时的反应速度常数[0
exp()G K k RT
?=-]。 又设0a i 和0c i 为0?=时的阳极、阴极电流密度，则有
0o i nF Kc = ， 0R i n F K c =
则有： 0exp()nF i i RT α?=- ，0exp()nF i i RT
β?= 将其改写成对数形式并整理后，阳极反应和阴极反应分别有如下关系：
02.303 2.303lg lg a a RT RT i i nF nF ?ββ=-
+ 02.303 2.303lg lg c c RT RT i i nF nF
?αα=-
上式表明?与lg a i 及lg c i 之间均存在线性关系，或说?与a i 及c i 之间存在半对
数关系，在半对数坐标中，表现为两条直线。如图3所示，电极电位越正，阳极反应速度越大；电极电位越负，阴极反应速度越大。式中的a i 及c i 是同一电极上
发生的方向相反的绝对阳极和阴极反应电流密度，外电流是二者的差值。
1.3电化学步骤之交换电流密度的讨论
描述电子转移步骤动力学特征的物理量即为动力学参数，通常认为其包括传递系数、交换电流密度和电极反应速度常数。传递系数一般取0.5αβ≈≈，而另两个参数对电化学速度有重要影响，在此作个简单讨论。
当电极电位等于平衡电位时，意味着电极上阴极阳极反应速度相等，净反应为零，即没有宏观的物质变化和外电流通过。示踪原子的实验结果表明，此时电极上的氧化反应和还原反应处于动态平衡。由于平衡电位下阴阳极反应速度相等，用0i 表示：
exp()exp()o R nF nF i nF Kc nF Kc RT RT α?β?=-= 平平 0i 就叫做电极反应的交换电流密度，它表示平衡电位下氧化反应和还原反应的绝
图3 电极电位对电流密度的影响
图4 电化学极化曲线
对速度。
当电极电位处于非平衡电位时，也可以用交换电流密度值来表示反应的绝对速度，
()exp[]o nF i nF Kc RT
α??+?=- 平=0exp()nF i RT α?-? exp[(+)]R nF i nF Kc RT β??=? 平=0exp()nF i RT
β?? 外电流密度为二者之差：
0[exp()exp()]c a nF nF i i i i RT RT
αβηη=-=-- 由上式可知，交换电流密度越大，净反应速度也越大，即电极反应越容易进行。也就是说交换电流密度的大小象征着电极反应的极化程度，其值越大，电极的极化能力越弱。
1.4稳态电化学极化规律
在外电流流入初期，电子来不及发生电化学反应而用于改变双电层结构，使电极电位偏离通电前的电位，电极发生极化，直到电极过程达到稳定状态（也就是电极上的还原反应电流和氧化反应电流之差等于外电流密度）为止。稳态电化学极化曲线如图4所示，根据过电位大小不同分成三个区域。
（1）当极化电流密度远大于交换电流密度时，过电位出现较高值，即电极
的极化程度较高。此时计算净电流密度可忽略i ，i 两项中较小的一项，仅有较
大的一项决定，此时的电极反应是“完全不可逆”的。例如对于阴极电流有 0exp()c c nF
i i i RT αη==，仍然符合半对
数关系。
（2）当极化电流密度远小于交换
电流密度时，过电位非常小，此时电极
反应处于“几乎可逆”的状态。此时净
电流密度和过电位之间有正比关系，
00()c c nF
nF
nF i i i RT RT RT
αβηη=+=
（3）当过电位10116mV mV η<<时，处于上述两种极限可能之间的过渡区，称为弱极化区，不能近似必须用极化电流公式表示。
2.液相传质步骤动力学
在构成电极反应的各个分步骤中，液相传质步骤往往进行得比较慢，因而常成为控制整个电极反应的控制性步骤。即使某些电极反应的电化学步骤在平衡电势附近进行得比较慢，但只需要加强电场对界面反应的活化作用，增大极化电势就可以使反应活化能降低而速度大大加快，因而最后往往只剩下液相传质为控制步骤。
液相传质动力学，实际上是讨论电极过程中电极表面附近液层中物质浓度变化的速度，由于涉及到的都是带电粒子，因而也用电流密度进行表征液相传质速度。液相传质过程中有三种传质方式，电迁移、对流和扩散，分别对应于在电场作用下、在自然或强制对流下以及在不同浓度下的粒子运动。
在电解液中，当电极上有电流通过时，三种传质方式可能同时存在，但在一定区域或者一定条件下，起主要作用的传质方式往往只是其中的一种或者两种。如果电极反应消耗了反应粒子，则需要从溶液本体中传输过来得到补充；如果电解质溶液含有大量的局外电解质，不考虑电迁移作用的话，向电极表面传输反应粒子的过程将由对流和扩散两个步骤串联完成。又对流传质的速度远大于扩散传质的速度，因此液相传质的速度主要由扩散过程控制，因此本节讨论的主要是扩散传质的动力学特征。根据粒子在垂直于电极表面的浓度梯度是否随时间发生变化，又可以把扩散传质过程分为稳态扩散和非稳态扩散。
2.1理想稳态扩散过程
当排除电迁移传质作用的干扰，并把扩散区和对流区截然分开，就实现了理想稳态扩散环境，人们一般加入大量局外电解质以排除电迁移影响，用毛细管和强制搅拌装置实现扩散和对流的区分以实现，如图5，这时可得到其动力学规律。
设电极反应为-O+ne R ??→←??
，则稳态扩散的电流密度为 0()s i i i i c c I nF J nFD l
-=-= 式中，0i c 是溶液本体反应粒子浓度，s i c 是电极表面反应粒子浓度。当s i c =0时，扩散电流密度达最大值，此时为极限扩散电流密度，0i d i c I nFD l
=。 2.2 真实稳态扩散过程
上小节介绍的是理想情况下的稳态扩散过程，而在真实条件下，扩散区和对流区是互相重叠、没有明确界限的。真实体系中，扩散层的厚度不再是毛细管的长度，而只能根据一定理论求得扩散层的有效厚度。根据列维契的对流扩散理论，由于电极表面的阻滞作用，在电极表层x=0处，液流流速u=0；在比较远离电极表面的地方，电极表面的阻滞作用消失，液流流速为u 0。
将u=0和u= u 0所包含的液流层叫做边界层，其厚度与电极的几何形状和流体动力学条件有关。如图6，边界层中的x>δ处，完全依靠切向对流作用实现传质过程；x<δ处，即在扩散层内，主要是依靠扩散作用实现传质的。真实体系中，扩散层与对流层重叠在一起，不能截然分开，因此各点的浓度梯度也不是常数。一般做近似处理，根据x=0处的浓度梯度计算扩散层厚度的有效值。
图5 研究理想稳态扩散过程的装置
图6 电极表面液层反应粒子浓度分布 00
=()s i i i x c c dc dx δ=-有效 1/31/61/21/20
i D v y u δ-≈ 用δ有效代表扩散层厚度，对流扩散中
的扩散层厚度δ不仅与离子的扩散运动
特性i D 有关，还与电极的几何形状及流体
动力学条件有关。
将其代入理想稳态动力学公式即可以
得到对流扩散动力学的基本规律，即
02/3161/21/2
000
2/3161/21/200()s s i i i i i i i d i i i c c I nFD nFD v y u c c c I nFD nFD v y u c δ
δ
-----=≈-=≈ 2.3浓差极化的动力学规律
当电极过程由液相传质的扩散步骤控制时，可认为电子转移步骤足够快，其平衡状态未遭到破坏，且还假定溶液中存在足够大量的惰性电解质，因而可以忽略扩散层中的电迁效应。当电极上有电流通过时，有
00e
e ln ln s s o o O s s R R R a
f c RT RT nF a nF f c ???=+=+ 式中，0e ?为O/R 电对的标准平衡电势，s o a 、s R a 和o f 、R f 分别表示表层液层中
氧化态和还原态的活度和活度系数。
2.3.1反应产物为独立相时
假设反应开始前或通过电流后很快达到1s R a =，则有
0ln ln(1)o e O O d RT RT I f c nF nF I ??=++-=ln(1)e d
RT I nF I ?+- 式中，e ?为未发生浓度极化时的平衡电极电势。
由反应粒子的浓度扩散控制的过电位：ln(1)e d
RT I nF I η??=-=- 此类极化曲线的特征为η和log(1)d
I I -之间为线性关系，斜率为2.3RT nF ，因而根据半对数极化曲线的斜率可以获知电极反应涉及的电子数n 。
2.3.2反应产物可溶时
此时1s R a ≠，由于在单位电极表面上R 的生成速度为I nF
，其扩散流失速率为0(
)R R x c D x =??。稳态下这两个速度相等，且认为反应前产物浓度00R c =，则有 s R R R I c nFD δ=。
因而有： 0ln ln()O O R e R R O d f D RT RT I nF f D nF I I δ??δ=+
+- η=1/2ln()d RT I nF I I
?+- 此类极化曲线的特征是η和log(
)d I I I -之间存在线性关系，以其斜率2.3RT nF 也可以求出n 。如图7为扩散控制下的极化曲线，其中a 、b 表示反应产物为独立相时，c 、d 表示反应产物可溶时的情况。
图7 扩散控制的极化曲线
a 、
b 反应产物为独立相；
c 、
d 反应产物可溶
3电化学极化和浓差极化共存时的动力学规律
以上两章讨论的是单一的电化学极化或浓差极化，但在实际情况中，只有当通过电极的极化电流密度远小于极限扩散电流密度，溶液中的对流作用很强时，电极过程才有可能只出现电化学极化；同样的，只有当外电流密度很大，接近于极限扩散电流密度，溶液中没有强制对流作用时，才有可能只出现浓差极化。在一般情况下往往是两种极化共存，因此很有必要阐述混合控制动力学规律。 在电化学极化中若出现了浓差极化，它的影响主要体现在电极表面反应粒子浓度的变化上。当扩散步骤处于平衡态或准平衡态时，电极表面和溶液内部没有浓度差，所以可用体浓度c 代替表面浓度S c ；但当扩散成为了控制步骤之一时，
电极表面附近液层中的浓度梯度不可忽略。用0O c 和0R c 表示反应粒子的体浓度，S O
c 和S R c 表示反应粒子在电极表面的浓度，则电极反应的速度为
00[exp()exp()]S S O R c a O R c c nF nF I i c RT c RT αβηη=-- 通常两种极化方式共存时，极化电流都较大，当0I i 时，0
0exp()S O c O c nF I i c RT αη=， 即0ln ln()d c d I RT I RT nF i nF I I
ηαα=+- 由上式可以看出，此时的过电位由两部分组成，式中右方第一项为电化学极化引起，其数值决定于0I i
，第二项是浓度极化引起，数值决定于I 和d I 的相对大小。 （1）当0d I I i 时，式中右方第二项可以忽略不计，此时过电位完全由电化学极化引起。
（2）当0d I I i ≈ 时，过电位主要是由浓差极化引起，但由于推导上式的前提已不成立，因此必须用原式进行计算。
（3）当0d I I i ≈ 时，式中两项均不能忽略，当往往只有一项起主要作用。如I 较小时，电化学影响较大；当I 趋近于d I 时，浓度极化转变为主要因素。
（4）当0,d I I i ，则几乎不出现任何极化现象，这是电极基本保持不通电时的
平衡状态。
结论
（一）本文概述了电化学反应步骤和液相传质步骤动力学规律，同时对发生电化学极化、浓差极化以及二者共存时的电极过程极化规律进行了探讨，得出了以下结论：
1.当电化学步骤为控制步骤时，电极电位的改变以动力学方式影响电化学反应速度。在强极化区，过电位和极化电流（i η-）呈半对数关系；在微极化区，i η-呈线性关系；弱极化区为二者的过渡区域，必须用Butler-Volmer 方程：0[exp()exp()]c a nF nF i i i i RT RT
αβηη=-=-- 来表示i η-的关系。 2.当稳态扩散为电极反应的控制步骤时，极化电流并不能无限增加，而是存在极限值d I 。 当反应产物为独立相或可溶时，过电位η分别与log(1)d I I -和log(
)d I I I -呈线性关系，斜率均为2.3RT nF 。 3.当电化学极化和浓差极化共存时，主要由反应粒子在电极表面的浓度项产生影响，0
00[exp()exp()]S S O R c a O R c c nF nF I i c RT c RT αβηη=--。可以根据d I 、I 和0I 的相对大小判别分属于何种类型的控制并对极化曲线进行合理简化。
参考文献：
1. 李荻. 电化学原理（第一版）. 北京：北京航空航天大学出版社，1999
2. 查全性. 电极过程动力学导论（第三版）. 北京：科学出版社，2002
3. 王凤平，康万利，敬和民等. 腐蚀电化学原理、方法及应用. 北京：科学工业出版社，2008
第六章电化学原理及其应用 一、选择题 1．下列电极反应中，溶液中的pH值升高，其氧化态的氧化性减小的是(C) A. Br2+2e = 2Br－ B. Cl2+2e=2Cl— C. MnO4—+5e+8H+=2Mn2++4H2O D. Zn2++2e=Zn 2．已知H2O2在酸性介质中的电势图为O2 0.67V H2O2 1.77V H2O，在碱性介质中的电势图为O2-0.08V H2O2 0.87V H2O，说明H2O2的歧化反应（C） A.只在酸性介质中发生 B.只在碱性介质中发生 C.无论在酸、碱性介质中都发生Ｄ.与反应方程式的书写有关 3．与下列原电池电动势无关的因素是Zn |Zn2+‖H+，H2 | Pt （B） A. Zn2+的浓度 B. Zn电极板的面积 C.H+的浓度 D.温度 4．298K时，已知Eθ（Fe3+/Fe）=0.771V，Eθ（Sn4+/Sn2+）=0.150V，则反应2Fe2++Sn4+=2Fe3++Sn2+的△r G mθ为（D）kJ/mol。 A. －268.7 B. －177.8 C. －119.9 D. 119.9 5．判断在酸性溶液中下列等浓度的离子哪些能共存（D） A Sn2+和Hg2+ B. SO32—和MnO4— C. Sn4+和Fe D. Fe2+和Sn4+ 已知Eθ(Hg2+/Hg)=0.851V，Eθ(Sn4+/Sn2+)=0.15V ，Eθ(MnO4—/Mn2+)=1.49V Eθ(SO42—/H2SO3)=1.29V ，Eθ(Fe2+/Fe)= —0.44V 6．已知下列反应在标准状态下逆向自发进行 Sn4++Cu = Sn2++Cu2+ Eθ(Cu2+/Cu)=(1) , Eθ(Sn4+/Sn2+)=(2) 则有（C） A. (1) = (2) B. (1)＜(2) C. (1)＞(2) D. 都不对 二、填空题 1．将下列方程式配平 3PbO2 + 2 Cr3+ + ____H2O___ ＝1Cr2O72—+ 3Pb2+ + __2H+___ (酸性介质) 2MnO2 + 3 H2O2 +__2OH-___ ＝2MnO4—+ ___4H2O______ （碱性介质）2．现有三种氧化剂Cr2O72—，H2O2，Fe3+，若要使Cl—、Br—、I—混合溶液中的I—氧化为I2，而Br-和Cl-都不发生变化，选用Fe3+最合适。(EθCl2/Cl-=1.36V, EθBr2/Br-=1.065V, EθI2/I-=0.535V) 3．把氧化还原反应Fe2++Ag+=Fe3++Ag设计为原电池，则正极反应为Ag++ e = Ag，负极反应为Fe3++e= Fe2+ ，原电池符号为Pt︱Fe3+(c1),Fe2+(c2)‖Ag+(c3)︱Ag。 4．在Ｍn++n e＝M(s)电极反应中，当加入Ｍn+的沉淀剂时，可使其电极电势值降低，如增加Ｍ的量，则电极电势不变 5．已知EθAg+/Ag=0.800V, K sp=1.6×10—10则Eθ（AgCl/Ag）= 0.222V。 6．已知电极反应Cu2++2e=Cu的Eo为0.347Ｖ,则电极反应2Cu - 4e =2Cu2+的Eθ值为0.347V 。7．用氧化数法配平下列氧化还原反应。 （1）K2Cr2O7＋H2S＋H2SO4K2SO4＋Cr2(SO4)3＋S＋H2O K2Cr2O7＋3H2S＋4H2SO4 =K2SO4＋Cr2(SO4)3＋3S＋7H2O
1请你简要论述一下，电化学研究方法中，暂态测量技术有哪些？以及暂态研究技术的应用有哪些？ 暂态测量技术有哪些？ 暂态测量方法的种类 ①按极化或控制的幅度分( 幅度：电极极化的幅度，界面电位变化量) a. 大幅度暂态测量(研究电极过程) |Δφ|>10 mV ( 大幅度) b. 小幅度暂态测量(用于测定参数Rr、RL、C d) |Δφ|<10 mV(小幅度) ②按控制方式分： a. 控制电流法暂态测量 b. 控制电位法暂态测量 控电流法：单电流阶跃;断电流;方波电流;双脉冲电流 控电位法:阶跃法、方波电位法等;线性扫描(单程线性扫描,连续三角波扫描);脉冲电位(阶梯伏安,常规脉冲,差分脉冲,方波伏安) [从电极极化开始到各个子过程（电化学反应过程、双电层充电过程、传质过程和离子导电过程）做出响应并进入稳态过程所经历的不稳定的，变化的“过渡阶段”，称为暂态.] [电化学暂态测试技术也称为电化学微扰测试技术，即用指定的小幅度电流或电压讯号加到研究电极上，使电极体系发生微弱的扰动，同时测量电极参数的响应来研究电极反应参数] 暂态研究技术的应用？ 暂态技术提供了比稳态技术更多的信息，用来研究电极过程动力学，测定电极反应动力学参数和确定电极反应机理，而且还可将测量迁越反应速率常数的上限提高2～3个数量级，有可能研究大量快速的电化学反应。暂态技术对于研究中间态和吸附态存在的电极反应也特别有利。暂态技术中测得的一些参量，例如双电层电容、欧姆电阻、由迁越反应速率常数决定的迁越电阻等，在化学电源、电镀、腐蚀等领域也有指导意义。 2.请你谈谈电化学测量中要获得电化学信号需要哪些电极以及设备，它们分别的作用是什么？ 一、需要①参比电极：参比电极的性能直接影响着电极电势的测量或控制的稳定性。 ②盐桥：当被测电极体系的溶液与参比电极的溶液不同时，常用盐桥把研究电极和参比电极连接起来。盐桥的作用主要有两个，一个是减小接界电势，二是减少研究、参比溶液之间的相互污染。
应用电化学实验 本课程安排4个综合实验，每个实验4个学时，共16个学时，按照10人一组分别进行。自编实验讲义。实验仪器有：分析天平；直流稳压稳流电源；电化学工作站；恒温水浴；饱和甘汞电极；鲁金毛细管；H 型电解槽；Pt 电极；电解槽；赫尔槽；电力搅拌器、磁力搅拌器；pH 计。 实验1：极化曲线的测定 实验内容：测定Ni 2+离子、Co 2+离子单金属电沉积、以及Ni-Co 合金共电沉积的稳态阴极极化曲线。 一、 实验目的 1.掌握三电极体系装置和电化学工作站的应用。 2.掌握用线性电位扫描法测量极化曲线的原理和实验方法，学会从极化曲线上分析电极过程特征。 2.测定金属电沉积的阴极极化曲线。 3.学会数据的分析和处理。 二、 实验原理 研究电极过程的基本方法是测定极化曲线。电极上电势随电流密度变化的关系曲线称为极化曲线。极化曲线表示了电极电位与电流密度之间的关系，从极化曲线上可以求得任一电流密度下的过电势（超电势），看出不同电流密度时电势变化的趋势，直观地反映了电极反应速度与电极电势的关系。在某一电流密度下极化曲线的斜率i ???称为极化度（极化率），极化度的大小可以衡量极化的程度，判断电极过程的难易。极化度小，电极过程容易进行；极化度大，电极过程受到较大阻碍而难以进行。从极化曲线还可求电极过程动力学参数，如交换电流密度i 0、电子传递系数α、标准速度常数、以及扩散系数；还可以测定反应级数、电化学反应活化能等。 被控制的变量电极电位是随时间连续线性变化的。随时间连续线性变化的电位可用线性方程表示： Vt i +=??； 其中：?——扫描电位，t ——扫描时间，V ——扫描速度，i ?——扫描起点电位。
电化学原理 第一章 绪论 两类导体： 第一类导体：凡是依靠物体内部自由电子的定向运动而导电的物体，即载流子为自由电子（或空穴）的导体，叫做电子导体，也称第一类导体。 第二类导体：凡是依靠物体内的离子运动而导电的导体叫做离子导体，也称第二类导体。 三个电化学体系： 原电池：由外电源提供电能，使电流通过电极，在电极上发生电极反应的装置。 电解池：将电能转化为化学能的电化学体系叫电解电池或电解池。 腐蚀电池：只能导致金属材料破坏而不能对外界做有用功的短路原电池。 阳极：发生氧化反应的电极 原电池（-）电解池（+） 阴极：发生还原反应的电极 原电池（+）电解池（-） 电解质分类： 定义：溶于溶剂或熔化时形成离子，从而具有导电能力的物质。 分类： 1.弱电解质与强电解质—根据电离程度 2.缔合式与非缔合式—根据离子在溶液中存在的形态 3.可能电解质与真实电解质—根据键合类型 水化数：水化膜中包含的水分子数。 水化膜：离子与水分子相互作用改变了定向取向的水分子性质，受这种相互作用的水分子层称为水化膜。可分为原水化膜与二级水化膜。 活度与活度系数： 活度：即“有效浓度”。 活度系数：活度与浓度的比值，反映了粒子间相互作用所引起的真实溶液与理想溶液的偏差。 规定：活度等于1的状态为标准态。对于固态、液态物质和溶剂，这一标准态就是它们的纯物质状态，即规定纯物质的活度等于1。 离子强度I ： 离子强度定律：在稀溶液范围内，电解质活度与离子强度之间的关系为： 注：上式当溶液浓度小于0.01mol ·dm-3 时才有效。 电导：量度导体导电能力大小的物理量，其值为电阻的倒数。 符号为G ，单位为S ( 1S =1／Ω)。 影响溶液电导的主要因素：（1）离子数量；（2）离子运动速度。 当量电导（率）：在两个相距为单位长度的平行板电极之间，放置含有1 克当量电解质的溶液时，溶液所具有的电导称为当量电导，单位为Ω-1 ·cm2·eq-1。 与 K 的关系： 与 的关系： 当λ趋于一个极限值时，称为无限稀释溶液当量电导或极限当量电导。 离子独立移动定律：当溶液无限稀释时，可以完全忽略离子间的相互作用，此时离子的运动 i i i x αγ=∑ =2 2 1i i z m I I A ?-=±γlog L A G κ= KV =λN c N c k 1000=λ- ++=000λλλ
电化学原理及其应用 1．家蝇的雌性信息素可用芥酸(来自菜籽油)与羧酸X在浓NaOH溶液中进行阳极氧化得到。 电解总反应式为： 则下列说法正确的是( ) A．X为C2H5COOH B．电解的阳极反应式为：C21H41COOH＋X－2e－＋2H2O―→C23H46＋2CO2－3＋6H＋ C．电解过程中，每转移a mol电子，则生成0.5a mol雌性信息素 D．阴极的还原产物为H2和OH－ 解析：A项根据原子守恒可判断X为C2H5COOH；B项由于电解质溶液为浓NaOH，因此阳极反应式应为C21H41COOH＋X－2e－＋60H－―→C23H46＋2CO2－3＋4H2O；C项根据电解总反应可知每生成1 mol雌性信息素转移2 mol电子，则C项正确；D项阴极的还原产物为H2，OH－并非氧化还原产物． 答案：AC 2．下列关于铜电极的叙述正确的是( ) A．铜锌原电池中铜是负极 B．用电解法精炼粗铜时，粗铜作阴极 C．在镀件上电镀铜时可用金属铜做阳极 D．电解稀硫酸制H2和O2时铜做阳极 解析：铜锌原电池中锌活泼，锌做负极；电解精炼铜时，粗铜中的铜失去电子，做阳极； 电镀铜时，应选用铜片做阳极，镀件做阴极，含有铜离子的溶液做电镀液。电解稀硫酸时，铜做阳极，失电子的是铜而不是溶液中的OH－，因而得不到氧气。 答案：C 3．普通水泥在固化过程中自由水分子减少并产生Ca(OH)2，溶液呈碱性。根据这一特点，科学家发明了电动势(E)法测水泥初凝时间，此法的原理如图所示，反应的总方程式为：2Cu ＋Ag2O===Cu2O＋2Ag。 下列有关说法不正确的是( ) A．工业上制备普通水泥的主要原料是黏土和石灰石
极化曲线在电化学腐蚀中的应用 娄浩 (班级：材料化学13-1 学号：120133202059) 关键词：电化学腐蚀；极化；极化曲线；极化腐蚀图 据工业发达国家统计，每年由于腐蚀造成的损失约占国民生产总值的l～4％，世界钢铁年产量约有十分之一因腐蚀而报废，因此研究金属腐蚀对于国民经济发展和能源的合理利用具有重大意义。其中电化学腐蚀是金属腐蚀的一种最普遍的形式。论文分析了电化学腐蚀的机理以及极化曲线的理论基础。利用测量极化曲线的方法，研究金属腐蚀过程，已经得到广泛的应用。 1.金属腐蚀的电化学原理 金属腐蚀学是研究金属材料在其周围环境作用下发生破坏以及如何减缓或防止这种破坏的一门科学[1]。通常把金属腐蚀定义为：金属与周围环境(介质)之间发生化学或电化学而引起的破坏或变质。所以，可将腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀[2]。 化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发生纯化学作用而引起的破坏。其反应的特点是金属表面的原子与非电解质中的氧化剂直接发生氧化还原反应，形成腐蚀产物[3]。腐蚀过程中电子的传递是在金属与氧化剂之间直接进行的，因而没有电流产生。 电化学腐蚀是指金属表面与电子导电的介质(电解质)发生电化学反应而引起的破坏。任何以电化学机理进行的腐蚀反应至少包含有一个阳极反应和一个阴极反应，并以流过金属内部的电子流和介质中的离子流形成回路[4]。阳极反应是氧化过程，即金属离子从金属转移到介质中并放出电子；阴极反应为还原过程，即介质中的氧化剂组分吸收来自阳极的电子的过程。例如，碳钢[5]在酸中腐蚀，在阳极区Fe被氧化成Fe2+所放出的电子自阳极Fe流至钢表面的阴极区(如Fe3C)上，与H+作用而还原成氢气，即 阳极反应：Fe - 2e →Fe2+ 阴极反应：2H+ + 2e →H2 总反应：Fe + 2H+ →Fe2+ + H2 与化学腐蚀不同，电化学腐蚀的特点在于，它的腐蚀历程可分为两个相对独立并可
电化学原理及其应用 (习题及答案) https://www.doczj.com/doc/aa13323322.html,work Information Technology Company.2020YEAR
第六章电化学原理及其应用 一、选择题 1．下列电极反应中，溶液中的pH值升高，其氧化态的氧化性减小的是( C ) A. Br2+2e = 2Br－ B. Cl2+2e=2Cl— C. MnO4—+5e+8H+=2Mn2++4H2O D. Zn2++2e=Zn 2．已知H2O2在酸性介质中的电势图为 O2 0.67V H2O2 1.77V H2O，在碱性介质中的电势图为O2-0.08V H2O2 0.87V H2O，说明H2O2的歧化反应（C） A.只在酸性介质中发生 B.只在碱性介质中发生 C.无论在酸、碱性介质中都发生Ｄ.与反应方程式的书写有关 3．与下列原电池电动势无关的因素是 Zn | Zn2+‖H+，H2 | Pt （B） A. Zn2+的浓度 B. Zn电极板的面积 C.H+的浓度 D.温度 4．298K时，已知Eθ（Fe3+/Fe）=0.771V，Eθ（Sn4+/Sn2+）=0.150V，则反应 2Fe2++Sn4+=2Fe3++Sn2+的△r G mθ为（D）kJ/mol。 A. －268.7 B. －177.8 C. －119.9 D. 119.9 5．判断在酸性溶液中下列等浓度的离子哪些能共存（D） A Sn2+和Hg2+ B. SO32—和MnO4— C. Sn4+和Fe D. Fe2+和Sn4+ 已知Eθ(Hg2+/Hg)=0.851V，Eθ(Sn4+/Sn2+)=0.15V ，Eθ(MnO4—/Mn2+)=1.49V Eθ(SO42—/H2SO3)=1.29V ，Eθ(Fe2+/Fe)= —0.44V 6．已知下列反应在标准状态下逆向自发进行 Sn4++Cu = Sn2++Cu2+
电化学曲线极化曲线阻抗谱分析 一、极化曲线 1.绘制原理 铁在酸溶液中，将不断被溶解，同时产生H2，即：Fe + 2H+ = Fe2+ + H2 (a) 当电极不与外电路接通时，其净电流I总为零。在稳定状态下，铁溶解的阳极电流I(Fe)和H＋还原出H2的阴极电流I(H)，它们在数值上相等但符号相反，即：(1) I(Fe)的大小反映Fe在H+中的溶解速率，而维持I(Fe)，I(H)相等时的电势称为Fe／H+体系的自腐蚀电势εcor。 图1是Fe在H+中的阳极极化和阴极极化曲线图。图2 铜合金在海水中典型极化曲线 当对电极进行阳极极化(即加更大正电势)时，反应(c)被抑制，反应(b)加快。此时，电化学过程以Fe的溶解为主要倾向。通过测定对应的极化电势和极化电流，就可得到Fe／H+体系的阳极极化曲线rba。 当对电极进行阴极极化，即加更负的电势时，反应(b)被抑制，电化学过程以反应(c)为主要倾向。同理，可获得阴极极化曲线rdc。 2.图形分析 （1）斜率 斜率越小，反应阻力越小，腐蚀速率越大，越易腐蚀。斜率越大，反应阻力越大，腐蚀速率越小，越耐腐蚀。 （2）同一曲线上各各段形状变化 如图2，在section2中，电流随电位升高的升高反而减小。这是因为此次发生了钝化现象，产生了致密的氧化膜，阻碍了离子的扩散，导致腐蚀电流下降。 （3）曲线随时间的变动 以7天和0天两曲线为例，对于Y轴，七天后曲线下移（负移），自腐蚀电位降低，说明更容易腐蚀。对于X轴，七天后曲线正移，腐蚀电流增大，亦说明更容易腐蚀。 二、阻抗谱 1.测量原理 它是基于测量对体系施加小幅度微扰时的电化学响应，在每个测量的频率点的原始数据中，都包含了施加信号电压（或电流）对测得的信号电流（或电压）的相位移及阻抗的幅模值。从这些数据中可以计算出电化学响应的实部和虚部。阻抗中涉及的参数有阻抗幅模（| Z |）、阻抗实部（Z,）、阻抗虚部（Z,,）、相位移（θ）、频率（ω）等变量，同时还可以计算出导纳（Y）和电容（C）的实部和虚部，因而阻抗谱可以通过多种方式表示。
5月6日晨测：化学原理及其应用（时间：40分钟） 可能用到的相对原子质量： Cu -64 Zn -65 1．（2020·广西省桂林市高三联合调研）钠硫电池以熔融金属钠、熔融硫和多硫化钠(Na 2S x )分别作为两个电极的反应物，固体Al 2O 3陶瓷(可传导Na +)为电解质，总反应为2Na+xS Na 2S x ，其反应原理如图所示。下列叙述正 确的是（ ） A ．放电时，电极a 为正极 B ．放电时，内电路中Na +的移动方向为从b 到a C ．充电时，电极b 的反应式为S x 2--2e -=xS D ．充电时，Na +在电极b 上获得电子，发生还原反应 2．（2020·吉林省吉林市高三二调）金属(M)－空气电池具有原料易得，能量密度高等优点，有望成为新能源汽车和移动设备的电源，该类电池放电的总反应方程式为：2M ＋O 2＋2H 2O ＝2M(OH)2。 (已知：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能)下列说法正确的是（ ） A ．电解质中的阴离子向多孔电极移动 B ．比较Mg 、Al 、Zn 三种金属－空气电池，Mg －空气电池的理论比能量最高 C ．空气电池放电过程的负极反应式2M －4e －＋4OH －＝2M(OH)2 D ．当外电路中转移4mol 电子时，多孔电极需要通入空气22.4L(标准状况) 3．（2020·福建省龙岩市高三质量检测）我国某科研团队设计了一种新型能量存储／转化装置（如下图所示）。闭合K 2、断开K 1时，制氢并储能；断开K 2、闭合K 1时，供电。下列说法错误的是（ ） A ．制氢时，溶液中K +向Pt 电极移动 B ．制氢时，X 电极反应式为22Ni(OH)e OH NiOOH H O ---+=+ C ．供电时，Zn 电极附近溶液的pH 降低
可逆体系的循环伏安研究 1 实验目的 1)掌握循环伏安法研究电极过程的基本原理 2)学习使用CHI660电化学综合分析仪 3)测定K3Fe(CN)6体系在不同扫描速率时的循环伏安图 2 实验原理 1)循环伏安法概述： 循环伏安法（CyclicVoltammetry）的基本原理是：根据研究体系的性质，选择电位扫描范围和扫描速率，从选定的起始电位开始扫描后，研究电极的电位按指定的方向和速率随时间线性变化，完成所确定的电位扫描范围到达终止电位后，会自动以同样的扫描速率返回到起始电位。在电位进行扫描的同时，同步测量研究电极的电流响应，所获得的电流－电位曲线称为循环伏安曲线或循环伏安扫描图。通过对循环伏安扫描图进行定性和定量分析，可以确定电极上进行的电极过程的热力学可逆程度、得失电子数、是否伴随耦合化学反应及电极过程动力学参数，从而拟定或推断电极上所进行的电化学过程的机理。 循环伏安法是进行电化学和电分析化学研究的最基本和最常用的方法，1922年由Jaroslav Heyrovsky创立的以滴汞电极作为工作电极的极谱分析法（Polarography），可以认为是伏安研究方法的早期形式，其对电化学研究领域的杰出贡献，Heyrovsky在1959年获得诺贝尔化学奖。随着固体电极，修饰电极的广泛使用和电子技术的发展，循环伏安法的测试范围和测试技术、数据采集和处理等方面显著改善和提高,从而使电化学和电分析化学方法更普遍地应用于化学化工、生命科学、材料科学及环境和能源等领域。 2)循环伏安扫描图： 循环伏安法研究体系是由工作电极、参比电极、辅助电极构成的三电极系统，工作电极和参比电极组成电位测量，工作电极和辅助电极组成的回路测量电流。工作电极可选用固态或液态电极，如：铂、金、玻璃石墨电极或悬汞、汞膜电极。常用的参比电极有：饱和甘汞电极（SCE）、银－氯化银电极，因此，循环伏安曲线中的电位值都是相对于参比电极而言。辅助电极可选用固态的惰性电极，如：铂丝或铂片电极、玻碳电极等。电解池中的电解液包括：氧化还原体系（常用的浓度范围：mmol／L）、支持电解质（浓度范围：mol／L）。循环伏安测定方法是：将CHI660电化学综合分析仪与研究体系连接，选定电位扫描范围E1～E2和扫描速率υ，从起始电位E1开始扫描，电位按选定的扫描速率呈线性变化从E1到达E2，然后连续反方向再扫描从E2回到E1，如图C17.1所示，电位随时间的变化呈现的是等腰三角波信号。 在扫描电位范围内，若在某一电位值时出现电流峰，说明在此电位时发生了电极反应。若在正向扫描时电极反应的产物是足够稳定的，且能在电极表面发生电极反应，那么在返回扫描时将出现于正向电流峰相对应的逆向电流峰。典型的循环伏安曲线如图C17.2所示，i pc 和i pa分别表示阴极峰值电流和阳极峰值电流，对应的阴极峰值电位与阳极峰值电位分别为E pc和E pa。（p表示峰值，a表示阳极，c表示阴极。）
20XX年高中测试 高 中 试 题 试 卷 科目： 年级： 考点：
监考老师： 日期： 电化学原理及其应用 1．家蝇的雌性信息素可用芥酸(来自菜籽油)与羧酸X在浓NaOH溶液中进行阳极氧化得到。电解总反应式为： 则下列说法正确的是( ) A．X为C2H5COOH 3＋6H＋B．电解的阳极反应式为：C21H41COOH＋X－2e－＋2H2O―→C23H46＋2CO2－ C．电解过程中，每转移a mol电子，则生成0.5a mol雌性信息素 D．阴极的还原产物为H2和OH－ 解析：A项根据原子守恒可判断X为C2H5COOH；B项由于电解质溶液为浓NaOH，因此阳极反应 3＋4H2O；C项根据电解总反应可知每生成1 式应为C21H41COOH＋X－2e－＋60H－―→C23H46＋2CO2－ mol雌性信息素转移2 mol电子，则C项正确；D项阴极的还原产物为H2，OH－并非氧化还原产物． 答案：AC 2．下列关于铜电极的叙述正确的是( ) A．铜锌原电池中铜是负极 B．用电解法精炼粗铜时，粗铜作阴极 C．在镀件上电镀铜时可用金属铜做阳极 D．电解稀硫酸制H2和O2时铜做阳极 解析：铜锌原电池中锌活泼，锌做负极；电解精炼铜时，粗铜中的铜失去电子，做阳极；电
镀铜时，应选用铜片做阳极，镀件做阴极，含有铜离子的溶液做电镀液。电解稀硫酸时，铜做阳极，失电子的是铜而不是溶液中的OH－，因而得不到氧气。 答案：C 3．普通水泥在固化过程中自由水分子减少并产生Ca(OH)2，溶液呈碱性。根据这一特点，科学家发明了电动势(E)法测水泥初凝时间，此法的原理如图所示，反应的总方程式为：2Cu＋Ag2O===Cu2O＋2Ag。 下列有关说法不正确的是( ) A．工业上制备普通水泥的主要原料是黏土和石灰石 B．测量原理装置图中，Ag2O/Ag极发生氧化反应 C．负极的电极反应式为：2Cu＋2OH－－2e－===Cu2O＋H2O D．在水泥固化过程中，由于自由水分子的减少，溶液中各离子浓度的变化导致电动势变化解析：A项工业上制备普通水泥的主要原料正确；B项测量原理装置图中，Ag2O/Ag极发生还原反应；C项负极材料Cu失电子，该电极反应式正确；D项在溶液中通过离子移动来传递电荷，因此各离子浓度的变化导致电动势变化。 答案：B 4． LiFePO4电池具有稳定性高、安全、对环境友好等优点，可用于电动汽车。电池反应为：FePO4 ＋Li 放电 充电 LiFePO4，电池的正极材料是LiFePO4，负极材料是石墨，含Li＋导电固体为电解 质。 下列有关LiFePO4电池说法正确的是( ) A．可加入硫酸以提高电解质的导电性B．放电时电池内部Li＋向负极移动 C．充电过程中，电池正极材料的质量减少
【最新整理，下载后即可编辑】 电化学原理 第一章 绪论 两类导体： 第一类导体：凡是依靠物体内部自由电子的定向运动而导电的物体，即载流子为自由电子（或空穴）的导体，叫做电子导体，也称第一类导体。 第二类导体：凡是依靠物体内的离子运动而导电的导体叫做离子导体，也称第二类导体。 三个电化学体系： 原电池：由外电源提供电能，使电流通过电极，在电极上发生电极反应的装置。 电解池：将电能转化为化学能的电化学体系叫电解电池或电解池。 腐蚀电池：只能导致金属材料破坏而不能对外界做有用功的短路原电池。 阳极：发生氧化反应的电极 原电池（-）电解池（+） 阴极：发生还原反应的电极 原电池（+）电解池（-） 电解质分类： 定义：溶于溶剂或熔化时形成离子，从而具有导电能力的物质。 分类： 1.弱电解质与强电解质—根据电离程度 2.缔合式与非缔合式—根据离子在溶液中存在的形态 3.可能电解质与真实电解质—根据键合类型 水化数：水化膜中包含的水分子数。 水化膜：离子与水分子相互作用改变了定向取向的水分子性质，受这种相互作用的水分子层称为水化膜。可分为原水化膜与二级水化膜。 活度与活度系数： 活度：即“有效浓度”。 活度系数：活度与浓度的比值，反映了粒子间相互作用所引起的 真实溶液与理想溶液的偏差。 i i i x αγ=
规定：活度等于1的状态为标准态。对于固态、液态物质和溶剂，这一标准态就是它们的纯物质状态，即规定纯物质的活度等于1。 离子强度I ： 离子强度定律：在稀溶液范围内，电解质活度与离子强度之间的 关系为： 注：上式当溶液浓度小于0.01mol ·dm-3 时才有效。 电导：量度导体导电能力大小的物理量，其值为电阻的倒数。 符 号为G ，单位为S ( 1S =1／Ω)。 影响溶液电导的主要因素：（1）离子数量；（2）离子运动速度。 当量电导（率）：在两个相距为单位长度的平行板电极之间，放置含有1 克当量电解质的溶液时，溶液所具有的电导称为当量电导，单位为Ω-1 ·cm2·eq-1。 与 K 的关系： 与 的关系： 当λ趋于一个极限值时，称为无限稀释溶液当量电导或极限当量电导。 离子独立移动定律：当溶液无限稀释时，可以完全忽略离子间的 相互作用，此时离子的运动是独立的，这时电解质溶液的当量电导等于电解质全部电离后所产生的离子当量电导之和： 同一离子在任何无限稀溶液中极限当量电导值不变! 离子淌度：单位场强（V/cm ）下的离子迁移速度，又称离子绝对运动速度。 离子迁移数：某种离子迁移的电量在溶液中各种离子迁移的总电量中所占的百分数。 ∑= 2 2 1i i z m I I A ?-=±γlog L A G κ=KV =λN c N c k 1000=λ- ++=000λλλE V U + +=E V U - -=
第4章电化学原理及应用 5课时 教学目标及基本要求 1. 明确原电池及相关的概念。了解电极的分类，了解电极电势的概念。 2. 能用能斯特方程式进行有关计算。能应用电极电势的数据判断氧化剂、还原剂的相对强弱及氧化还原反应自发进行的方向和程度。 3. 了解摩尔吉布斯自由能变与原电池电动势，标准摩尔吉布斯自由能变与氧化还原反应平衡常数的关系。 4. 了解电解、电镀、电抛光的基本原理，了解它们在工程上的应用。了解金属腐蚀及防护原理。 教学重点 1. 原电池符号的书写 2. 影响电极电势的因素 3. 电极电势与吉布斯的关系 4. 电极电势的应用 教学难点 1. 电极类型 2. 能斯特方程及相关计算 3. 应用电极电势判断氧化剂、还原剂的相对强弱 本章教学方式（手段）及教学过程中应注意的问题 本章采用多媒体结合板书的方式进行教学。 在教学过程中注意 1. 原电池的设计 2. 浓度、酸度对电极电势的影响 3. 电极电势的应用 主要教学内容 4.1 原电池（Electrochemical cell） 任何自发进行的氧化还原(oxidation-reduction) 反应，只要设计适当，都可以设计成原电池
用以产生电流。 4.1.1 原电池的结构与工作原理 Zn(s)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s) 负极Zn(s) → Zn2+(aq)+2e-(Oxidation) 正极Cu2+(aq)+2e-→ Cu(s) (Reduction) 总反应：Zn(s)+ Cu2+(aq) → Zn2+(aq)+ Cu(s) 原电池的符号（图式）(cell diagram) 表示: 如铜- 锌原电池, : Zn ∣ZnSO4(c1) ┊┊CuSO4(c2) ∣Cu 规定：(1) 负极(anode) 在左边，正极(Cathode) 在右边，按实际顺序从左至右依次排列出各个相的组成及相态; (2) 用单实竖线表示相界面, 用双虚竖线表示盐桥; (3) 溶液注明浓度，气体注明分压; (4) 若溶液中含有两种离子参加电极反应, 可用逗号隔开，并加上惰性电极. 4.1.2 电极类型 按氧化态、还原态物质的状态分类： 第一类电极：元素与含有这种元素离子的溶液一起构成的电极。 (1) 金属──金属离子电极： Zn2+| Zn ；Cu2+| Cu ；Ni2+| Ni (2) 气体——离子电极： H+ |H2(g) | Pt 2H+ + 2e-＝H2(g) Cl-| Cl2(g) | PtCl2(g) + 2e-＝2Cl- 第二类电极： (1) 金属──金属难溶盐电极： 甘汞电极：Cl-|Hg2Cl2(s)| Hg Hg2Cl2(s) + 2e-＝2 Hg (s) + 2 Cl- 银－氯化银电极：Cl-| AgCl(s) | Ag AgCl(s) + e-＝Ag (s) + Cl- (2) 金属──难溶金属氧化物电极： 锑—氧化锑电极：H+ ,H2O(g) | Sb2O2(s) |Sb Sb2O2(s) + 6 H+ + 6 e-＝2Sb +3H2O(g) 第三类电极: 氧化还原电极： MnO4-，Mn2+| Pt 2 MnO4-+ 16H+ + 10e-→ 2Mn2++8H2O 4.2 电极电势
电化学原理与方法复习思考题 第一章绪论 1.你认为电化学体系与其它电子导体构成的电路体系的根本区别是什么？ 2.简述电极反应的基本历程。 3.三电极体系指的是什么？三电极体系中有那些回路, 在每个回路中是否有电流 流过？ 4.电化学反应与普通氧化还原反应的区别是什么？ 5.电化学测量过程中一般采用三电极体系，为什么？ 6.为什么电流或电流密度可以表示电化学反应的速度？ 第二章电极-溶液界面结构 1.出现相间电势的可能原因有哪些？举例说明？ 2.解释概念：内电为、外电位、表面电势、电化学势、零电荷电势、 3.金属/溶液相间平衡电势是如何建立的，以Zn|ZnSO4(α =1,水溶液)为例说明。 4.阐明电极|溶液界面双电层电容与紧密层和分散层电容的关系？ 5.理想极化电极和理想不极化电极。 6.金属电极中电子在各能级上是如何分布的？ 7.画出金属电极带净正电荷或负电荷时“电极/溶液”界面的电势分布曲线。 8.什么是ψ1效应？画出金属电极带净正电荷或负电荷并出现ψ1效应时的“电极/ 溶液”界面的电势分布曲线。 第三章传质过程动力学 1.液相传质过程有哪些，写出它们的作用范围？ 2.液相传质过程有无电子转移？当该步骤成为电极过程的控速步骤时，该步骤的 速度如何表示？为什么？ 3.当液相传质步骤成为电极过程的控速步骤时，能否应用能斯特方程？如果能应 注意什么？为什么？ 4.什么是稳态和非稳态？造成稳态和非稳态的原因是什么？
5.列出理想情况下和实际情况下的稳态扩散过程的电流表达式。 6.解释概念：扩散层的有效厚度、稳态极限扩散电流密度 7.按以下情况列出电化学反应O＋ne R在液相传质为控制步骤下的稳态I~?曲 线：反应生成独立相、反应产物可溶、开始反应前O与R均存在且可溶。 8.已知一个电化学反应，如何通过实验证明其是扩散控制过程？ 9.液相传质过程为控制步骤时，用恒电位阶跃的暂态动力学关系说明单纯扩散过 程能否建立稳态传质过程。 10.解释液相传质过程为控制步骤时，恒电流阶跃暂态过程中“过渡时间”的概念 及物理意义。 11.对于电化学反应O＋ne R，列出静止液层中平面电极上电位阶跃时的暂态电 流表达式。 第四章电化学步骤的动力学 1.当一个电子传递反应的交换电流密度较大时，线性电位扫描为什么会出现电流 峰？在峰电流是否对应与稳态扩散过程中的极限扩散电流？ 2.电极过程中的电子传递控制和扩散控制 3.解释概念：极化、过电位、交换电流密度 4.外电流密度(I)与过电位之间(η)的线性关系和半对数关系各在什么条件下出 现？这是否意味着电化学极化有两种截然不同的动力学特征？ 5.电极电势以哪两种不同的方式影响电化学反应速度的速度？阐述在上述两种 方式中电极电势如何影响电化学反应的速度？ 6.从理论上推导出Tafel关系。 7.在不同的平衡电位下，交换电流密度是否相同？为什么？ 8.对于电子传递步骤控制的电极过程，如何确定电极反应的基本动力学参数？ 9.为什么说决定电化学极化程度的主要因素是净电流密度与交换电流密度的相 对大小？ 10.从所学的电化学动力学方程推导出平衡时电极电势的能斯特方程。 11.当电化学极化和浓差极化共存时，利用I，i?和I d分析造成过电位的主要原因。 12.当电化学极化和浓差极化共存时，如何利用暂态恒电位阶跃法确定电极反应(电
电化学原理思考题答案 （注：我只做了老师要求做的） 第三章 1.自发形成的双电层和强制形成的双电层在性质和结构上有无不同？为什么？ 2．理想极化电极和不极化电极有什么区别？它们在电化学中有什么重要用途？ 答：当电极反应速率为0，电流全部用于改变双电层的电极体系的电极称为理想极化电极，可用于界面结构和性质的研究。理想不极化电极是指当电极反应速率和电子反应速率相等时，极化作用和去极化作用平衡，无极化现象，通向界面的电流全部用于电化学反应，可用作参比电极。 3．什么是电毛细现象？为什么电毛细曲线是具有极大值的抛物线形状？ 答：电毛细现象是指界面张力随电极电位变化的现象。溶液界面存在双电层，剩余电荷无论带正电还是负电，同性电荷间相互排斥，使界面扩大，而界面张力力图使界面缩小，两者作用效果相反，因此带电界面的张力比不带电时小，且电荷密度越大，界面张力越小，因此电毛细曲线是具有极大值的抛物线形状。 4．标准氢电极的表面剩余电荷是否为零？用什么办法能确定其表面带电状况？ 答：不一定，标准氢电极电位为0指的是氢标电位，是人为规定的，电极表面剩余电荷密度为0时的电位指的是零电荷电位,其数值并不一定为0;因为形成相间电位差的原因除了离子 双电层外,还有吸附双电层\偶极子双电层\金属表面电位。可通过零电荷电位判断电极表面带电状况，测定氢标电极的零电荷电位，若小于0则电极带正电，反之带负电。 5．你能根据电毛细曲线的基本规律分析气泡在电极上的附着力与电极电位有什么关系吗？为什么有这种关系？（提示：液体对电极表面的润湿性越高，气体在电极表面的附着力就越小。） 6．为什么在微分电容曲线中，当电极电位绝对值较大时，会出现“平台”？ 7．双电层的电容为什么会随电极电位变化？试根据双电层结构的物理模型和数学模型型以解释。 8．双电层的积分电容和微分电容有什么区别和联系？ 9．试述交流电桥法测量微分电容曲线的原理。 10．影响双电层结构的主要因素是什么？为什么？ 答：静电作用和热运动。静电作用使符号相反的剩余电荷相互靠近，贴于电极表面排列，热运动使荷电粒子外散，在这两种作用下界面层由紧密层和分散层组成。 11．什么叫ψ1 电位？能否说ψ1电位的大小只取决于电解质总浓度而与电解质本性无关？ψ1 电位的符号是否总是与双电层总电位的符号一致？为什么？ 答：距离电极表面d处的电位叫ψ1电位。不能，因为不同的紧密层d的大小不同，而紧密层的厚度显然与电解质本性有关，所以不能说ψ1 电位的大小只取决于电解质总浓度而与电解质本性无关。当发生超载吸附时ψ1 电位的符号与双电层总电位的符号不一致。 12．试述双电层方程式的推导思路。推导的结果说明了什么问题？ 13．如何通过微分电容曲线和电毛细曲线的分析来判断不同电位下的双电层结构？ 答： 14．比较用微分电容法和电毛细曲线法求解电极表面剩余电荷密度的优缺点。 15．什么是特性吸附？哪些类型的物质具有特性吸附的能力？ 答：溶液中的各种粒子还可能因非静电作用力而发生吸附称为特性吸附。大部分无机阴离子，部分无机阳离子以及表面活性有机分子可发生特性吸附。 16．用什么方法可以判断有无特性吸附及估计吸附量的大小？为什么？ 17．试根据微分电容曲线和电毛细曲线的变化，说明有机分子的特性吸附有哪些特点？
一、概述 第三章二、电毛细现象 三、双电层的微分电容 电极/溶液界面四、双电层的结构的结构和性质■、書鬆爲面的吸附现 象
§ 3?1概述 一、研究电极/溶液界面性质的意义 由于各电极反应都发生在电极/溶液的界面上，故界面结和性质对电极反应影响很大。 1.界面电场对电极反应速度的影响 由于双电层极薄，故场强可很大，而电极反应是电荷在相间转移的反应，故在巨大的界面电场下，电极反应速度也将发生极大的变化，可实现一些普通化学反应无法实现的反应，并且可通过改变电极电位改变反应速度。 2.电解质性质和电极材料及其表面状态的影响 这些性质对电极一溶液界面结构和性质均能产生很大影响，故需进一步了解电极一溶液界面性质，才能达到有效控制电极反应性质和反应速度的目的。
二、理想极化电极 电极/溶液界面：是两相间一界面层，指与任何一相基体性 界面结构：主要指在这一过渡区域中剩余电荷和电位的分布以及它们与电极电位的关系。 界面性质：主要指界面层的物理化学性质，主要是电性质 研究界面结构的基本方法：通常测量某些重要的，反映界面性质的参数（如界面张力、微分电容、电极表面剩余电荷密度等）及其与电极电位的函数关系。把实验结果与理论推算出的模型相比较，若接近，则模型有一定正确性。但前提条件是选一个适合界面研究质均不同的相间过渡区。
的电极体系。
直流电通过一个电极时，可能起到以下两种作用: (1)参与电极反应而被消耗掉。这部分电流相当于通过一个负载电阻而被消耗。 (2)参与建立或改变双电层。这部分电流的作用类 似于给电容器充电，只在电路中引起短暂的充电 电流。 Cd II— (a)电极体系的等效电路(b)理想极化电极的等效电路 2020/4/11
第三章 1.自发形成的双电层和强制形成的双电层在性质和结构上有无不同？为什么？ 2．理想极化电极和不极化电极有什么区别？它们在电化学中有什么重要用途？答：当电极反应速率为0，电流全部用于改变双电层的电极体系的电极称为理想极化电极，可用于界面结构和性质的研究。理想不极化电极是指当电极反应速率和电子反应速率相等时，极化作用和去极化作用平衡，无极化现象，通向界面的电流全部用于电化学反应，可用作参比电极。 3．什么是电毛细现象？为什么电毛细曲线是具有极大值的抛物线形状？ 答：电毛细现象是指界面张力随电极电位变化的现象。溶液界面存在双电层，剩余电荷无论带正电还是负电，同性电荷间相互排斥，使界面扩大，而界面张力力图使界面缩小，两者作用效果相反，因此带电界面的张力比不带电时小，且电荷密度越大，界面张力越小，因此电毛细曲线是具有极大值的抛物线形状。 4．标准氢电极的表面剩余电荷是否为零？用什么办法能确定其表面带电状况？答：不一定，标准氢电极电位为0指的是氢标电位，是人为规定的，电极表面剩余电荷密度为0时的电位指的是零电荷电位,其数值并不一定为0;因为形成相间电位差的原因除了离子双电层外,还有吸附双电层\ 偶极子双电层\金属表面电位。可通过零电荷电位判断电极表面带电状况，测定氢标电极的零电荷电位，若小于0则电极带正电，反之带负电。 5．你能根据电毛细曲线的基本规律分析气泡在电极上的附着力与电极电位有什么关系吗？为什么有这种关系？（提示：液体对电极表面的润湿性越高，气体在电极表面的附着力就越小。） 6．为什么在微分电容曲线中，当电极电位绝对值较大时，会出现“平台”？ 7．双电层的电容为什么会随电极电位变化？试根据双电层结构的物理模型和数学模型型以解释。
电化学极化和浓差极化的动力学研究 摘要：电极过程的进行速度在金属保护、腐蚀分析等电化学实践领域有重要应用，加深对它的理解很有必要。电极反应速度由控制步骤，即速度最慢的单元步骤决定。本文讨论了电化学反应和液相传质这两个单元步骤的动力学规律，以及当整个电极反应由电化学极化控制、浓差极化或者是两类极化共存时的极化规律。 关键词：控制步骤；电化学极化；浓差极化；过电位；极化电流 引言 电极过程是由一系列性质不同的单元步骤串联组成的复杂过程，一般有液相传质、前置转化、电化学反应、随后转化和反应后的液相传质五个步骤。每一步骤都有不同的特性，步骤的反应速度取决于其活化能，当某一步骤的速度远远小于其他步骤，则整个电极反应速度等于这个最慢步骤，一般称之为控制步骤。文献指出，只要整个反应中有一个步骤的活化能比其余高出8~10KJ/mol以上，则能成为控制步骤；而当两个单元步骤的活化能相差不到4KJ/mol时，它们的反应速度相差不到5倍，则可能同时成为控制步骤，称为混合控制。混合控制的规律比较复杂，但仍会有一个控制步骤起较主要的作用。因此研究控制步骤的规律对于了解整个电极反应的速度规律，以及控制电极反应的速度和反应进行的方向均有重要意义。本文中主要讨论的是电化学反应步骤和液相传质步骤的动力学规律，并讨论当其成为控制步骤时的极化规律。 电化学反应步骤指反应物质在电极/溶液界面得失电子，从而发生还原或氧化反应的过程。这一单元步骤包括了化学反应和电荷传递两步，是整个电极过程的核心步骤。当电化学反应步骤成为电极过程的控制步骤时，电极反应的速度就取决于电化学反应步骤。电极过程最重要特征之一就是由于电子参与反应，电极电位的改变将对反应速度将从热力学和动力学两个方面产生影响，因此讨论电化学反应步骤时先从电极电位的影响谈起。 由于液相中的反应粒子需要通过传质过程输送至电极表面，反应产物也需要