电化学原理第三章
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
C or
l
式中：εO为真空中的介电常数，εr为实物相的相对介电常数。
L两电容器平行板之间距离，常用单位cm；C为电容常用单位为 μF/cm2.
2021/3/3
电化学原 理第三章
界面双电层并非完全恒定值，而随电极电位变化。故利用微分形式 来定义界面双电层的电容，称微分电容，即
Cd
dq dQ
(3.24)
2021/3/3
电化学原 理第三章
电毛细曲线近似有最高点的抛物线，因汞/溶液界面存在双 电层，由于电极界面同一侧带相同电荷，相互排斥作用力 图使界面扩大。与界面张力使界面缩小相反，故带电界面 张力比不带电时小。
2021/3/3
电化学原 理第三章
二、电毛细曲线的微分方程 根据Gibbs等温吸附方程，由热力学可推导出界面张力
与电极电位之间的关系式
dÓ = -ΣΓidμi-qdφ
q( )i
3.5
3.6
µi为i物质化学位，因理想溶液无化学反应发生，故溶液中 组成不变。µi不变, 此为Lippman(李普曼)公式，q为电极表 面剩余电荷密度，单位为c/cm2，Φ单位为V，ó为J/cm2
2021/3/3
电化学原 理第三章
若电极表面剩余电荷为零，即无离子双电层存在时，q=0则 òδ/òΦ＝0，对应于图3.3最高点，
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－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－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。
2Hg Hg22++2e 电位 >0.1V
K+ +e
K 电位<-1.6V
该电极在0.1V~ -1.6V范围内，没有电极反应发生，可作为理
想极化电极。
2021/3/3
电化学原 理第三章
电毛细曲线 微分电容 积分电容
q i
(3.6)
Cd dq d
q
Ci
o
Cd
o
微分电容曲线
q Cdd o
双电层基本结构 紧密层和分散层
2021/3/3
电化学原 理第三章
理想极化电极:不发生任何电极反应的体系。 与其它理想体系类似, 只有相对的理想体系，电极电位处于 特定范围及特殊电场下，可满足理想极化电极的条件。
绝对的理想极化电极是不存在的。只有在一定的电极电位范 围内，某些真实的电极体系可以满足理想极化电极的条件。
如：汞和高纯氯化钾组成的体系。
一、概述 二、电毛细现象 三、双电层的微分电容
/溶液界面 四、双电层的结构 的结构和性质 五、零电荷电位
六、电极/溶液界面的吸附现象
2021/3/3
电化学原理第三章
§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
Cd为微分电容，表示引起电极电位微小变化时所需引入电极表面 的电量。相反，也表明界面上电极电位发生微小变化（扰动）时所 具备的贮存电荷的能力。
由微分电容定义和李普曼方程，由电毛细曲线很易求得微分电容值
111
Cd C紧 C分
2021/3/3
电化学原 理第三章
李普曼
§3.2 电毛细现象
一、电毛细曲线及其测定 两相间均存在界面张力，电极体系界面张力不仅与界面
层的物质有关，而且与电极电位有关，此界面张力随电极电 位变化的现象叫做电毛细现象。而界面张力与电极电位的关 系曲线叫做电毛细曲线。常用毛细管静电计测取液态金属的 电毛细曲线。
2021/3/3
电化学原 理第三章
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。
（a）电极体系的等效电路 （b）理想极化电极的等效电路
即由3.21和3.22求得该浓度下的离子表面剩余量。
2021/3/3
电化学原 理第三章
§3.3 双电层的微分电容
一、 双电层的电容
界面剩余电荷的变化将引起界面双电层电位差改变，因而电极/溶 液界面具有贮存电荷的能力，即具有电容的特性。
理想极化电极可作为平板电容器处理，即把电极/溶液界面的两个 剩余电荷层比拟成电容器的两个平行板，由物理学知，该电容器 的电容值为一常数，即
电化学原 理第三章
三、离子表面剩余量 构成双电层溶液一侧发生了离子的吸附。金属侧电子过剩
或不足，溶液侧剩余正负离子浓度不同，发生了吸附现象， 见下图。
wenku.baidu.com
2021/3/3
电化学原 理第三章
离子表面剩余量：界面层存在时离子的摩尔数与无离子双 电层存在时离子的摩尔数之差定义为离子的表面剩余量。
T
(v
vv)RT
lna
Φ'
T
(v
vv)RT
lna
'
离子表面剩余量步骤如下：
(3.21) 可实际应用的求离 子表面剩余量的公
(3.22) 式
（1） 测量不同浓度电解质溶液的电毛细曲线б-φ关系曲线
（2） 从各条电毛细曲线上取同一相对电位下的б值。做б～lna±关系 曲线
（3） 根据б～lna±关系曲线，求出某一浓度下的斜率 ( ln a )'
2021/3/3
电化学原 理第三章
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 质均不同的相间过渡区。
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的电极体系。
无电荷排斥作用，界面张力最大; 此时的电极电位称为零电荷电位,常用符号Φ0表示。
q( )i
3.6
无论电极表面存在剩余电荷符号如何，界面张力均随剩余电 荷数量的增加而降低。 由上式
可直接由电毛细曲线斜率求某一电位密度下电极电位 表面剩余电荷密度q判断表面剩余电荷密度符号 及零电荷电位。
2021/3/3
l
式中：εO为真空中的介电常数，εr为实物相的相对介电常数。
L两电容器平行板之间距离，常用单位cm；C为电容常用单位为 μF/cm2.
2021/3/3
电化学原 理第三章
界面双电层并非完全恒定值，而随电极电位变化。故利用微分形式 来定义界面双电层的电容，称微分电容，即
Cd
dq dQ
(3.24)
2021/3/3
电化学原 理第三章
电毛细曲线近似有最高点的抛物线，因汞/溶液界面存在双 电层，由于电极界面同一侧带相同电荷，相互排斥作用力 图使界面扩大。与界面张力使界面缩小相反，故带电界面 张力比不带电时小。
2021/3/3
电化学原 理第三章
二、电毛细曲线的微分方程 根据Gibbs等温吸附方程，由热力学可推导出界面张力
与电极电位之间的关系式
dÓ = -ΣΓidμi-qdφ
q( )i
3.5
3.6
µi为i物质化学位，因理想溶液无化学反应发生，故溶液中 组成不变。µi不变, 此为Lippman(李普曼)公式，q为电极表 面剩余电荷密度，单位为c/cm2，Φ单位为V，ó为J/cm2
2021/3/3
电化学原 理第三章
若电极表面剩余电荷为零，即无离子双电层存在时，q=0则 òδ/òΦ＝0，对应于图3.3最高点，
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－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－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。
2Hg Hg22++2e 电位 >0.1V
K+ +e
K 电位<-1.6V
该电极在0.1V~ -1.6V范围内，没有电极反应发生，可作为理
想极化电极。
2021/3/3
电化学原 理第三章
电毛细曲线 微分电容 积分电容
q i
(3.6)
Cd dq d
q
Ci
o
Cd
o
微分电容曲线
q Cdd o
双电层基本结构 紧密层和分散层
2021/3/3
电化学原 理第三章
理想极化电极:不发生任何电极反应的体系。 与其它理想体系类似, 只有相对的理想体系，电极电位处于 特定范围及特殊电场下，可满足理想极化电极的条件。
绝对的理想极化电极是不存在的。只有在一定的电极电位范 围内，某些真实的电极体系可以满足理想极化电极的条件。
如：汞和高纯氯化钾组成的体系。
一、概述 二、电毛细现象 三、双电层的微分电容
/溶液界面 四、双电层的结构 的结构和性质 五、零电荷电位
六、电极/溶液界面的吸附现象
2021/3/3
电化学原理第三章
§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
Cd为微分电容，表示引起电极电位微小变化时所需引入电极表面 的电量。相反，也表明界面上电极电位发生微小变化（扰动）时所 具备的贮存电荷的能力。
由微分电容定义和李普曼方程，由电毛细曲线很易求得微分电容值
111
Cd C紧 C分
2021/3/3
电化学原 理第三章
李普曼
§3.2 电毛细现象
一、电毛细曲线及其测定 两相间均存在界面张力，电极体系界面张力不仅与界面
层的物质有关，而且与电极电位有关，此界面张力随电极电 位变化的现象叫做电毛细现象。而界面张力与电极电位的关 系曲线叫做电毛细曲线。常用毛细管静电计测取液态金属的 电毛细曲线。
2021/3/3
电化学原 理第三章
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。
（a）电极体系的等效电路 （b）理想极化电极的等效电路
即由3.21和3.22求得该浓度下的离子表面剩余量。
2021/3/3
电化学原 理第三章
§3.3 双电层的微分电容
一、 双电层的电容
界面剩余电荷的变化将引起界面双电层电位差改变，因而电极/溶 液界面具有贮存电荷的能力，即具有电容的特性。
理想极化电极可作为平板电容器处理，即把电极/溶液界面的两个 剩余电荷层比拟成电容器的两个平行板，由物理学知，该电容器 的电容值为一常数，即
电化学原 理第三章
三、离子表面剩余量 构成双电层溶液一侧发生了离子的吸附。金属侧电子过剩
或不足，溶液侧剩余正负离子浓度不同，发生了吸附现象， 见下图。
wenku.baidu.com
2021/3/3
电化学原 理第三章
离子表面剩余量：界面层存在时离子的摩尔数与无离子双 电层存在时离子的摩尔数之差定义为离子的表面剩余量。
T
(v
vv)RT
lna
Φ'
T
(v
vv)RT
lna
'
离子表面剩余量步骤如下：
(3.21) 可实际应用的求离 子表面剩余量的公
(3.22) 式
（1） 测量不同浓度电解质溶液的电毛细曲线б-φ关系曲线
（2） 从各条电毛细曲线上取同一相对电位下的б值。做б～lna±关系 曲线
（3） 根据б～lna±关系曲线，求出某一浓度下的斜率 ( ln a )'
2021/3/3
电化学原 理第三章
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 质均不同的相间过渡区。
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的电极体系。
无电荷排斥作用，界面张力最大; 此时的电极电位称为零电荷电位,常用符号Φ0表示。
q( )i
3.6
无论电极表面存在剩余电荷符号如何，界面张力均随剩余电 荷数量的增加而降低。 由上式
可直接由电毛细曲线斜率求某一电位密度下电极电位 表面剩余电荷密度q判断表面剩余电荷密度符号 及零电荷电位。
2021/3/3