电化学过程
物质的相互作用与通过电流取决于带负电的特点电子。为基本粒子的电,有一个电子亲和力带正电的粒子,质子,无论是在原子、原子团或分子。这种亲和力类似的粒子的化学亲和力展览。事实上,所有化学反应转变的结果电子结构的原子,自由电子可以结合粒子的物质(减少)或被他们发布(氧化)。之间的定量关系的自由电子电流和微粒的一种物质引起的反应是由法拉第定律(见上图历史)。参与电化学反应的物质,称为电解质或离子导体,所述。
大量电子可以在一个相对自由(移动)状态只有在物质称为电子导体,其中金属是最重要的。因此,必须提供一个电子导体作为基本组件的任何系统电化学反应发生。此外,电子在导体的可用性是有限的能量分布到了这样一种程度,只在直接电化学反应发生附近电子导体的surface-i.e。从指挥,几个埃到解决方案。这些反应,因此,通常认为是发生在界面,或共同的边界,电子导体之间,如电极离子导体,如电解溶液。然而,电化学反应将只有在某种程度上,电可以通过这样一个系统作为一个整体流。为实现这一目标,有必要形成一个闭环系统,电子说话。
总而言之,如果在一个metal-solution界面电子的金属,降低解决方案的组件,必须存在一个metal-solution界面电子进入金属在氧化的过程。
之间的两个电极和离子导体(例如,一些电离盐的水溶液中)代表一个电化电池。整个过程发生在细胞的氧化还原过程减少一个物种的空间分离的氧化另一个。作为一个结果法拉第定律,在电极的电化学反应(用克摩尔数来表示每秒每平方厘米的电极表面直接与电流密度成比例(每平方厘米用安培)即:,电流流经细胞除以电极表面积。
网站的电化学反应
电化学反应发生的电子导体与离子conductor-i.e。在electrode-electrolyte接口。这个地区的特点,被认为是一个表面阶段,是一个特定的结构的存在的粒子的存在电场相当大的强度(高达10000000伏特/厘米);这个领域是由电荷的分离之间存在联系的两个主要阶段。在大多数情况下表面阶段可以被认为是一个平行板电容器,用一个盘子的中心离子被带到电极,在他们最亲密的距离的方法,在金属表面和第二个板;两个板块之间,作为介质(例如、不导电材料)的水分子。
热运动的正离子在电解质溶液中使电容器板diffuse-i.e一侧的接口。,离子分布cloudlike。这种情况证明了部门之间的潜在变化的大部分金属和电解质的大部分为两个部分:首先,在金属表面和第一离子层之间的距离最近的方法(称为平面外亥姆霍兹,离子通常包围溶剂particles-i.e。溶剂化);第二,第一离子层之间和大量的解决方案,分散的部分双层。情况进一步复杂化的存在离子在电极表面层除了为静电reasons-i.e那些礼物。,通过电荷之间的引力或斥力。这些离子电极表层专门吸附在电极表面。因为这个种类的离子表面所吸引到的距离拉近的距离最接近的“离子,进一步细分双电层的内部是有道理的。因此,内心的亥姆霍兹飞机介绍了飞机由专门吸附离子的中心。中性分子的吸附表面上还可以改变双电层的属性。这种变化发生由于取代了水分子,从而改变潜在的一部分(电气)不同跨双层吸附造成的偶极天线(水分子polarity-i.e。,他们像分钟magnets-because氢氧结构、积极分子的一端,另一端为负)。
电位差的绝对值,象征着希腊字母计算的三角洲和ψ,Δψ之间,大部分金属电极和电解质的大部分无法衡量。相反,一个特殊的细胞的电压,由特定的电极被研究和任意选择的参比电极,通常是测量;电压被称为相对电极电位,E。特殊利益的状态没有净电荷的电极(在本例中,没有不平衡,或者额外的积极,电荷)双金属的层。这个状态的相对潜在的实现特征每个金属。这一点称为零费用的潜力。潜力,跨双层的领域是由于表面的水分子和其他的偶极子取向。
大部分的知识之间的接口的详细结构金属和电解质起源于实验汞,唯一的金属液体在常温下;双层结构,表面张力,必须测量,这种测量与固体金属是很困难的。然而,到1970年,它已经表明,它可以测量表面张力变化metal-solution接口。因此,双层结构的确定方式涉及固体被打开了。
的物质半导体也可以作为电子载体应用在电化学反应。半导体是物质之间作为绝缘体在低温和高温metallic-type导体。在半导体中,双电层结构更复杂的因为电极的电容板的双层也变得分散。因此,整个潜在的大量接触的各个阶段的区别包括也可能大量的半导体和其表面的区别。
类型的电化学反应
有几种类型的电化学反应。
简单的氧化还原反应
一个简单的氧化还原反应是一个涉及电荷的电荷载体的变化,通常是一个简单的或复杂的离子在解决方案,拿走,一个电子的电极(减少),或其给电子电极(氧化)。同样的载体在溶液中可能存在两种状态。越高,更多的正电荷被称为氧化状态,和较低的,更少的正电荷被称为降低的状态。例如,当铁和亚铁离子都是出现在解决方案中重要的数量,当电极的电子交换是足够快,氧化还原平衡建立了电极,给它一个定义良好的潜力,或可逆的氧化还原电势。
反应产生的气体
当溶液中的氢离子与电子从金属反应,在表面形成氢原子,他们结合自己或与其他氢离子和电子给气态的氢分子。如果所有的反应不够快,氢离子和气体之间达到一个平衡。金属接触的解决方案被称为存在这种情况可逆氢电极,其电势是任意采取的是零;其他电极相比,因此可以用它,因为它代表的基础构成氢的规模相对电极电位。同样,-羟基离子解决方案(哦−)可以放弃电子金属,在一系列的反应,最后一个是气态氧的形成。氯是另一个气态产品;它发展在电化学氧化氯离子在中性和酸性盐集中解决方案。
反应沉淀和溶解金属
当金属离子减少,排放作为一个中性原子,或物种,它倾向于构建金属晶格的电极。因此,金属可以沉积在电极。相反,如果电子从金属电极通过应用积极的潜力,因此,金属离子形成的双层交叉电荷在界面,进行水合作用(与水结合),并输入解决方案。金属电极从而溶解。许多金属建立定义良好的电动电位时接触自己的离子在溶液中。
氧化和减少有机化合物
有机的氧化和还原反应化合物也可以在完成电极。这样的反应,但是,大多是不可逆的字面意思,导致产品不能轻易转换回原来的物质。例外是一些氧和氮含量的化合物(醌类、胺和一氧化二氮的化合物),可以很明确的可逆的潜力。
的机制电荷转移
电极反应的热力学不可逆的原因行为中发现的性质基本电荷转移的行为。像任何化学反应,这个行为抑制之间的能量势垒的存在氧化和减少的状态。这一障碍意味着反应只能发生在特殊情况下,大量的交互过程中与其他物种(原子、离子、分子等)周围,达到分子激发态的能量异常内容。在大多数化学反应,这必须足够的能量进入所谓的物种过渡态;过渡态能量势垒的顶部的特征反应之前就开始了。如果这样的模型应用于电子转移在一个界面,计算表明,电子交换反应电极会非常缓慢,一个结论在方差与观察到的现象;量子机械法,然而,控制电子的运动,他们包容变化计算以适应现实。量子力学要求快速电子交换,电子在双层外的一个粒子(如水合离子外亥姆霍兹平面)必须达到某些明确的量子化能级等于这些金属中自由电子存在。因为这样可以获得的粒子还有一个低于所需的传输能量势垒,按照经典的观点,这种快速的过程之间的电子交换电极和溶液中的粒子称为电子隧道穿过能量势垒。
而化学过程的速率,或松散可能称之为反应的速度,只能通过改变反应物的浓度影响或通过改变温度或两者兼而有之,电化学过程的速率也可以通过改变电极电位操纵。使电极更负增加金属中电子的数量准备隧道离子,因此还原过程的速率增加。相反,使潜在的更积极的减少这种速度,增加粒子数准备失去电子,从而增加氧化过程的速率。
它可以推断之间必须存在有正比例的反应速率和反应物种的浓度,同时一个指数比例之间的反应速率和电极电位。
在任何电极电位,一个物种的减少和氧化还原的产物发生但以不同的速率;每个反应的速率是由各自的浓度和相应的潜在的影响。一种电化学反应的速率可以最好被描述为“电流密度即:衡量运动的电子的数量一定体积的空间在一个指定的时间单位。
的关系可以由一个方程定量表示的网络,或产生的电流(电子喷射率的差异在界面粒子在溶液中,减少通过在溶液中粒子的速度注入电子金属)等同于还原和氧化的不同的变量和常量与这些反应。看到方程(1),其他下面的方程计算在本小节的末尾。方程(2),被称为能斯特方程,可由方程(1),使电极电位的值时完全氧化的速率等于减少的速度。使用这种电极电位的值,方程(3),称为Butler-Volmer方程,可以派生;它在electrodic代表最基本的关系化学。