第五章电极过程扩散动力学
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电极过程动力学电极过程动力学是电化学中的一个重要分支,它着重研究电极电荷转移过程和相关的动力学机制。
电极过程动力学的研究对象包括电化学反应速率、电极化学反应的机理以及电化学反应的动态过程等。
本文将从电极反应速率、电位调控机理以及实际应用方面对电极过程动力学进行详细的介绍和分析。
一、电极反应速率1. 项里反应速率常数项里反应速率常数是衡量电极反应速率的重要参数。
它表示单位时间内反应物和产物之间的数量变化率。
在计算过程中,可以根据电荷转移过程中的动力学机制来确定项里反应速率常数。
通常情况下,项里反应速率常数与反应物和产物之间的活化能和电荷转移系数有关。
一般来说,项里反应速率常数越大,反应速率越快。
2. 泊松分布模型泊松分布模型是一种根据电子传输动力学研究电极反应速率的经典方法。
泊松分布模型假设电子从电极表面进入液相中的分布满足泊松分布。
据此,可以利用该模型计算出电极反应速率以及与之相关的电极化学反应机理。
然而,实际情况中,由于电极表面可能存在着非均匀性和多孔性等特征,泊松分布模型过于理想化,难以准确预测电极反应速率。
3. 热力学因素对电极反应速率的影响热力学因素对电极反应速率有着重要的影响。
根据热力学定律,电位差和电极之间的电势差会影响电子传输和离子转移速率。
当电极电位愈高,电位差就愈大,因此,电子和离子的传输速率就变得更快。
此外,反应物和产物之间的物理和化学吸附现象也会影响电极反应速率。
这些因素的影响程度需要结合具体的条件和反应机理来进行考虑。
二、电位调控机理1. 电位和电场电位是电子在电场作用下所具有的势能差。
由于电场力是由电荷带来的,因此,电位和电场强度是密切相关的。
在电极过程动力学中,电位的变化会影响电子传输过程,进而影响电极化学反应的速率和机理。
2. 离子选择电位离子选择电位可以影响电极的电化学反应机理和速率。
当电极表面存在多种离子时,离子选择电位会决定电极表面上离子种类的比例。
因此,在研究电极过程动力学时,需要对离子选择电位进行分析和控制。
第5章 表面转化步骤在前面的两章中,我们讨论了两个基本步骤(电化学为控步和扩散为控步的电极过程动力学)的动力学。
如果从溶液中扩散到电极表面来的粒子能直接参加电化学步骤反应(得失电子),并直接形成最终产物,那么整个电极反应就只有扩散和电子得失这两步就足够了。
然而许多研究表明,往往反应粒子的主要存在形式(即初始反应粒子)并不能直接参加电化学反应,它们扩散到电极表面后,往往需经某种转化步骤变成容易反应的形式;同样,电化学步骤中形成的初始产物也往往需要经某种转化步骤形成最终产物。
0**0R R R O O O s nes −−→−−−→−−−→−−−→−−−→−-+扩散转化转化扩散这些转化反应主要发生在S M /界面上,或电极表面附近的薄层溶液中,故称表面转化步骤。
表面转化步骤既可以是化学步骤,如离解、复合等,也可以是吸脱附或新相生成步骤。
其共同特点是它们的反应速度常数一般与电极电势无关。
作为电极过程的基本步骤之一,表面转化步骤在其绝对速度相对较小时也有可能成为整个过程的控制步骤或参与过程的控制,因此也有其自身的动力学规律。
我们通过本章转少的时间将简要的将其特征、规律给大家介绍一下。
[例1]:碱性镀锌液中+2Zn是以与-OH 形成络离子的形式存在的,反应粒子的主要存在形式为-24)(OH Zn ,还有其他形式如:-3)(OH Zn 、2)(OH Zn 、+)(OH Zn 、+2Zn 等,即配位数不同的络离子或络合物,NaOH 为络合剂。
阴极还原时,是哪种粒子在电极上放电呢?是否是主要存在形式-24)(OH Zn 放电?不一定。
研究证实,放电粒子(易于反应)是2)(OH Zn ,而2)(OH Zn 浓度较低,单靠溶液中原有的2)(OH Zn 难以源源不断地供应给电极反应,故必有一从主要形式到反应形式(放电形式)的转化过程(化学过程)。
Zn OH Zn OH Zn e −−→−−−→−-+-2224)()(转化(主要存在形式转化为易反应形式) 即在电化学步骤之前有一转化步骤,是在表面附近液层中进行的。
第5章液相传质过程与浓差极化主要内容5.1 液相传质方式与基本方程5.2 平面电极上的稳态扩散传质过程5.3 浓差极化动力学方程5.4 电迁移对稳态扩散的影响液相传质过程是电极过程中必不可少的过程,涉及反应物离子向电极表面的传质过程以及生成物向溶液本体的传质过程。
由于电极过程中传质过程速度的缓慢而引起的电极极化现象为“浓差极化”。
本章将介绍液相传质过程中的规律以及浓差极化控制的电极过程的动力学方程。
为了简单,在讨论浓差极化时,假设电子转移速度很快,远远大于液相传质速度。
5.1 液相传质方式与基本方程5.1 液相传质方式与基本方程5.1.1 液相传质的三种方式5.1.2 三种液相传质的比较5.1.3 液相传质的基本方程5.1.1 液相传质的三种方式(1)对流溶液中物质的粒子随着流动的液体一起运动,此时液体与离子之间没有相对运动,这种传质方式叫对流。
包括:自然对流(温度差、密度差等),强制对流(搅拌等)。
对流可以增加单位时间内到达电极表面的粒子数目。
采用对流流量πc,i 来描述溶液中i离子的对流传质速度。
πc,i :粒子i 在单位时间、垂直于运动方向的单位截面积上流过的量,单位(mol •m -2•s -1) ;v x :与电极表面垂直方向上的液体的流速,单位(m •s -1);c i :为i 离子的浓度,单位(mol •m -3)。
ix i c c v •=,π(2)电迁移当所研究的粒子带有电荷(即为离子)时,在电场力的作用下,将引起带电粒子迁移。
电迁移作用引起的所研究粒子的传质速。
度为πe,i显然:当研究对象(反应物或生成物)不带电荷时,如为中性分子,则不存在电迁移。
(3)扩散当溶液中某一组分存在浓度差,即在不同区域内某组份的浓度不同时,该组份将自发的从高浓度区域向低浓度区域移动,这种液相传质运动叫扩散。
稳态扩散时,即扩散区域内各点浓度不随时间而变化,这时可用Fick第一定律计算扩散速度。
(3)传质发生的区域电极表面附近的液层可以分为双电层区、扩散层区、对流区。