电极过程动力学导论-1优质PPT.ppt

1、发展历史-20 世纪 40 年代形成 苏联弗鲁姆金学派 （双电层结构和各类吸附现象对反应速度的影响）50 年代快速发展（成熟期）（主要归因于电化学实验技术的发展，尤其是快速 暂态方法的建立）2、电池反应与电极过程 电解池和原电池的阴阳极极化 溶液 本体 电极 电极表面 区 ne-RbRs化学 反应 RRadsOadsO化学 反应 OsOb物质 传输 物质 传输 3、电极过程的基本历程电极过程的基本历程 （1）反应粒子向电极表面传递电解质相中的传质步骤 （2）反应粒子在电极表面上或表面附近的液层中进行“反应前的 转化过程”“前置的”表面转化步骤 （3）在电极表面上得到或失去电子，生成反应产物电化

2、学 步骤 （4）反应产物在电极表面上或表面附近的液层中进行“反应后的 转化过程”“随后的”表面转化步骤 （5a）反应产物生成新相生成新相步骤 （5b）反应产物从电极表面向溶液中或向电极内部传递 电解 质相中的传质步骤（有时反应产物也可能向电极内部扩散）电极过程的单元步骤：三电极研究体系 4、电极过程的主要特征 电极的作用:（1）导电介质；（2）反应活性点 电极反应的基本动力学规律 （1）影响异相催化反应的一般规律 （2）表面电场对电极反应速度的影响 5、研究电极过程动力学的目的 弄清影响电极反应速度的各种基本因素，从而实现对电极反应方向和速度的控制。主要有以下三方面：（1）弄清整个电极反应的历

3、程 （2）找出决定整个电极反应速度的控制步骤（混合区？）（3）测定控制步骤的动力学参数及其他步骤的热力学平衡常数 二、“电极/溶液”界面的基本性质1、研究“电极/溶液”界面性质的意义2、不同电极表面电化学活性存在差异：（1）电极材料的化学性质和表面状况对电极反应活化能有很大影响（化学因素）；（2）“电极/溶液”界面上的电场强度对电化学反应活化能有很大影响（电场因素）。本节主要讨论“电极/溶液”界面的电性质，即电极和溶液两相间的电势差和界面层中的电势分布情况 3、相间电势和电极电势将试验电荷自无穷远处移至实物内部时所作的功01zeW（为外部电势）021zeWW（为内部电势，为表面电势）电化学势）

4、（021zeWW10-410-5cm 相间电势差：1、外部电势差 2、内部电势差 3、电化学势差iii（Volta 电势）（Galvani 电势）两孤立相（不发生相间粒子转移）间电势只与其 荷电状态及所在位置的电势有关存在相间粒子转移的情况当相间达到平衡后，对所有能在两相（、相）间转移的粒子均有,jjii对于电子则有00,eeeeee即从而可得0/）（eee0/）（eWWee 用测量仪表测得的引出端之间的电势差 =各个串联界面上内部电势差的代数和 =各个串联界面上外部电势差的代数和 电极电势（a）电化学电池；（b）电池电动势的等效电路；（c）测量相对电极电势时的等效电路图中 I、II 为电极，

5、S 为溶液，R 为参比电极IIIIISSIIIIIISSIV电极电势 相对电极电势IRRSSIIRI相对电极IIRRSSIIIIRII相对电极IIIIIIIISSIIIRSIIIRSIIIRRSSIIIRRSSIIIRIRV）（）（相对相对因此，组成电化学电池的两个半电池的相对电极电势之差等于电池的电动势通常采用标准氢电极（SHE）作为相对电极电势标的零点 理想极化电极研究“电极/溶液”界面结构的基本方法-通过实验测定一些可测的界面参数（如界面张力、界面剩余电荷密度、界面吸附量、界面电容等），并根据一定的界面结构模型进行推算，进行验证。全部由外界输入的电量都被用来改变界面构造而不发生电化学反应

6、电毛细曲线将理想极化电极极化至不同电势时，相应的界面张力随电势的变化 利用界面张力数据可以计算：界面吸附量和界面剩余电荷密度T，P 不变时，Gibbs 吸附等温式0iidd式中，i=ni/A，即为 i 粒子的界面吸附量iidqddFdde电极表面剩余电荷密度为 q 时，e=-q/F溶液组成不变时，,21qLippman 公式qddee 0,0/qdd0,0/qdd0,0/qdd零电荷电势 电极表面荷负电时界面结构基本相同电极表面荷正电时界面结构与阴离子特性有关零电荷电位与阴离子特性有关 微分电容法理想极化电极“溶液/电极”界面电容性元件界面双电层的微分电容ddqCd ddqCd对积分，得常数d

7、Cqd0dCqd由于零电荷电位下 q=0，则有 电毛细曲线法与微分电容法的区别电毛细曲线法-利用曲线的斜率求 q，实际测量的是 q 的积分函数微分电容法-利用曲线的下方面积求 q，实际测量的 Cd是 q 的微分函数微分电容法的灵敏度要高于电毛细曲线法 电极电势较正时微分电容与阴离子特性有关 零电荷电势 界面离子剩余电荷界面双电层中电极一侧的剩余电荷（q）与溶液一侧的剩余电荷（qs）间的关系为qqsqs来自于液相中各种离子的吸附iisFzq 4、“电极/溶液”界面模型 电场强度=4q/,0 xd区间内电势梯度恒定分散紧CCdqddqddqdCd11）（111C紧C分散不存在特性相互作用 “电极/

8、溶液”界面模型的发展Helmholtz“平板电容器”模型（“紧密双电层”模型）ddVdqCd4成功：可以解释某些溶液中测得的微分电容曲线在零电荷电势两侧各有一平段（图 2.18）缺点：完全无法解释为什么在稀溶液中会出现极小值 20 世纪初 Gouy 和 Chapman 考虑由于粒子热运动的影响，提出“分散双电层”模型成功：假设离子电荷为理想的点电荷，根据该模型可以较满意地解释稀溶液中零电荷电势附近出现的电容极小值。缺点：由于完全忽略了溶剂化离子的尺寸及紧密层的存在，当溶液浓度较高或表面电荷密度值较大时，按分散层模型计算得出的电容值远大于实验测得的数值 1924 年 Stern 综合了上述两种模

9、型中的合理部分，建立了 Gouy-Chapman-Stern 模型（GCS 模型）GCS 模型虽承认紧密双层的存在与作用，但并未认真分析紧密双层的结构与性质，故常被称为 GCS 分散层模型 GCS 模型主要处理分散层中剩余电荷的分布与电势分布，其基本出发点有二：1、Boltzmann 分布公式只考虑静电场的作用时，对于 1-1 型电解质溶液RTFccRTFccexp,exp00c+,c-分别表示溶液中电势为处的正离子和负离子浓度；c0为远离电极表面（=0）处的正、负离子浓度，也就是电解质溶液的整体浓度 2、Poisson 公式422xEx 为体电荷密度；E 为电场强度；为介质的介电常数 若不存

10、在能在电极表面上特性吸附的离子，即在 x=0 到 x=d的内层空间中不存在剩余电荷RTFRTcRTFRTFRTcq2sinh22exp2exp210110对于 z-z 型电解质RTFzRTcq2sinh210 RTFzRTcRTFzddqC2cosh2101分散分散层电容在 25C 并采用实用单位时，上式可表示为103246.19cosh1023.7）（zczcmFC分散当1=0 时，cosh（0）=1，此时 C分散具有最小值。当 q 和1增大时 C分散迅速增大。GCS 模型的缺点1、由于只处理了界面的一部分（分散层）而不是 全部界面区域，因此难以用实验进行验证。2、推导公式过程中的不足。如：

11、将分散层的介电常数 当作恒定值、离子所占体积和活度系数的变化等。3、未考虑剩余电荷的“粒子性”。若溶液的浓度不超过 10-2mol/L，1不超过 0.1V，则按GCS 模型估算1时误差不超过 3%；但在许多常用的条件下，1的计算误差也可高达 30%40%不存在离子特性吸附时的内层模型由于界面层的两个组成部分的实验参数都是难以单独测量。在假定 GCS 模型描述分散层性质基本正确的基础上可推知内层的性质。由于只在溶液很稀和 q 较小时 C分散才有较小的数值，在大多数情况下，C分散对整个微分电容曲线的影响并不大。在较浓溶液中测得的 Cd-曲线可以近似地看成 C紧-曲线。电极上 q 为较大负值时，Cd

12、几乎为常数而与阳离子种类和水化阳离子的大小无关 为什么？在|q|q 时，分散层中的离子剩余电荷 q分散与 q 同号-这称为阴离子“超载吸附”“电极/溶液”界面模型基本性质1、由于界面两侧存在剩余电荷而引起的界面双电层包括紧密层和 分散层两部分2、分散层是离子电荷热运动引起的，其结构只与温度、电解质浓 度及分散层中的剩余电荷密度有关，与离子的个别特性无关3、紧密层的性质决定于界面层的结构，特别是两相中剩余电荷能 相互接近的程度4、能在电极表面“特性吸附”的阴离子可能在电极表面上“超载吸附”5、由于特性吸附的阴离子具有相对稳定的表面位置，在覆盖度不 大时表现出“粒子性”，平面上各点的电势具有二维不均匀性。5、固体金属“电极/溶液”界面液态汞电极的主要优点能在较广的电势范围内基本满足“理想极化电极”条件汞易于提纯和液态汞电极表面具有完全平滑及易于重现和更新的特点固体电极是否具有？固体电极的性质当溶液中不含能在电极上氧化或还原的组分时，固体电极能在一定的电势范围内基本满足“理想极化电极”条件如何实现金属电极表面的重现性？对于 Ag,Au 和 Pt 等高溶点的金属，不同晶面的电极性能差别较大，需注明所用晶面低溶点金属具有较低的晶格能，表面上的金属