电极界面基本性质.pptx

第二章电极第二章电极/溶液界面溶液界面基本性质基本性质贾梦秋2.1研究“电极/溶液”界面性质的意义电极上发生的反应过程有两种类型：1.法拉第过程，其规律符合法拉第定律，所引起的电流称为法拉第电流。2.非法拉第过程。1.电极过程不是均由扩散步骤控制；2.电极反应作为一种界面反应，是直接在电极溶液界面上实现的。我们研究“电极/溶液”界面性质。主要目的就是为了弄清界面性质对界面反应速度的影响。此外，研究“电极/溶液的界面性质本身也具有基础意义。2.1研究“电极/溶液”界面性质的意义“电极/溶液”界面对电极反应动力学性质的影响1.1.电极材料的化学性质和表面状况的影响电极材料的化学性质和表面状况的影响主要有：溶液的组成和浓度；电极材料的化学性质及其表面状态。这些因素，可称之为影响电极表面反应能力的“化学因素”。2.2.界面电场对电极反应速度的影响界面电场对电极反应速度的影响 “电极/溶液”界面上的电场强度常用界面上的相间电势差电极电势表示，随着电极电势的改变，不仅可以连续改变电极反应速度，而且可以改变电极反应的方向。即使保持电极电势不变，改变界面层中的电势分布情况也对电极反应速度有一定影响。这些因素，可称为影响电极反应速度的“场强因素”。2.22.2电极溶液界面附近荷电层的形成电极溶液界面附近荷电层的形成 一、界面荷电层的形成一、界面荷电层的形成 界面荷电层是自然界普遍存在的现象，按形成机理主要有下面三种：（1）离子双电层；（2）偶极双电层；（3）吸附双电层。二、电极溶液界面形成及界面二、电极溶液界面形成及界面两侧剩余电荷的分布两侧剩余电荷的分布研究目的：了解界面荷电层中的电势分布。（1）电极是良导体，溶液为浓溶液。（2）电极是良导体，溶液是稀溶液。（3）电极是半导体，溶液是稀溶液。分散双电层分散双电层紧密双层中的电势差：分散双电层中电势差：Xd,溶液中由于异电荷的存在，电力线数目迅速减少，电场强度与电势梯度值也随之减少，直至为零。2.32.3研究双电层的实验方法研究双电层的实验方法一、研究界面结构的基本方法一、研究界面结构的基本方法1.通过实验测量一些可测的参数界面张力、剩余电荷密度、各种粒子的界面吸附量、界面电容等；2.根据界面的模型来推测界面参数（提出一定界面结构模型，并计算其物理参数）；3.如果两者吻合，就可定出结构。在测量界面剩余电荷的实验方法时，首先要寻找与之有关且能直接测量的界面参数，同时还得选择合适的电极体系，以便测量这些界面参数与电势的变化。为了研究界面的性质，一般采用理想极化电极。二、理想极化电极二、理想极化电极“电极/溶液”界面上，由外界输入的电量全部都被用来改变界面构造，而在“电极溶液”界面上不发生电化学反应。这样的电极称为理想电极。这时为了形成一定的界面结构只需耗用有限的电量，即只会在外电路中引起瞬间电流（与电容器的充电过程相似）。基本符合基本符合基本符合基本符合“理想极化电极理想极化电极理想极化电极理想极化电极”条件的实际体系条件的实际体系条件的实际体系条件的实际体系滴汞电极滴汞电极滴汞电极滴汞电极 由纯净的汞表面与仔细除去了氧及其他氧化还原性杂质的高纯度KCl溶液所组成的电极体系，在0.1到1.2v之间的电势区间内，这一电极体系可以近似地看作是“理想极化电极”。电极电位比0.1（相对SHE,下同）更正时发生汞发生氧化溶解反应在电极电位比1.6v更负时能发生钾的还原反应：氢析出过程伴随着很高的超电势 三、研究双电层的试验方法1.电毛细曲线电毛细曲线 若将理想极化电极极化至不同电势（），同时测出相应的界面张力（）值，就得到所谓“电毛细曲线”。通常用毛细管静电计测量液态金属电极的电毛细曲线。实验装置-毛细管静电计法测量时在每一个电势下调节汞柱高度（h）,使倒圆锥形的毛细管（k）内汞弯月面的位置保持一定。界面张力与汞柱的高度成正比，可由汞柱高度计算出汞/溶液界面张力。用测得的界面张力与对应的电极电势作得电毛细曲线（）。电毛细曲线抛物线形状在某一电势时最大，当电位偏离此值时，均会下降。Lippman 公式 微分方程在恒温很压下，根据Gibbs吸附等温式，界面张力变化与界面上吸附的粒子性质和吸附量有关，即 (2.1)对于“电极/溶液”界面，如果认为电极相中除电子外不含有能在界面区中富集的其它粒子，则（2.1）可改写成为 （2.2）对于电极电位可以变化的电极体系来说，可以将电子看成是一种能自由移动的界面活性粒子。若电极表面上的剩余电荷密度为q,则电子的界面吸附量为（2.3）（2.4）（2.5）（2.6）（2.7）电毛细曲线的分析12.3.无机阴离子的吸附对电毛细曲线的影响无机阴离子的吸附对电毛细曲线的影响用汞电极在不同无机盐溶液中测得的电毛细曲线在较负电势区基本重合，表示当电极表面荷负电时界面结构基本相同。但在较正电势区各曲线相差较大，表示当电极荷正电时界面结构与阴离子的特性有关。零电荷电势的位置也与所选用的阴离子有关。微分电容法 对于理想极化电极，可将“电极/溶液”界面当作一个电容器元件来处理。当有很小的电量引至电极上时，溶液一侧必然出现电量绝对值相等的异号离子。假设因此引起的电极电势变化为d，则仿照电容的定义可以认为界面双电层的微分电容值为 交流电流电桥法精确测量 电桥的两个比例臂由阻值相同的标准电阻R1及R2组成，第三臂有可变标准电容箱Cs级标准电阻箱Rs组成，第四臂则为电解池。交流信号发生器G接在电桥的一个对角线上，示波器O则接在另一个对角线上。当Rs和Cs分别对等于电解池等效阻抗的电阻部分与电容部分 时，整个电极处于平衡状态。测量截面微分电容式电解池的等效电路测量截面微分电容式电解池的等效电路 电解池的等效电路如图所示，可视为由两个电极上的界面电容（Cd）和溶液电阻（Rs）串联组成。测量微分电容时，辅助极化电极（P）的表面积一般比被研究电极大得多，因而辅助电极上界面电容的影响可以忽略。在电桥平衡时Cs值等于被研究电极的界面微分电容值，而Rs值等于两个电极之间的溶液电阻（Rs）。微分电容曲线的大致形状 为了测出不同电势下q的数值，需将式积分得到无限稀释溶液中在无机盐稀溶液中测得的微分电容曲线上有一明显得极小值，其位置与吻合。溶液愈稀，极小值愈明显。由图还可以看到，电极表面荷正电时的Cd值较大，这与实测电毛细曲线的正半支较陡是一致的。随着电极表面正负充电的加大，均会引起微分电容值得急剧上升。比较电毛细曲线法与微分电容法 前者利用曲线斜率求；后者利用曲线下面面积求。微分函数总是要比积分函数更敏锐地反映出原变数的微小变化。由此不难理解，为什么微分电容法的灵敏度要比电毛细曲线法高得多。2.4零电荷电势2.4.1 测量方法 1.零电荷电势:电极表面不带有剩余电荷时的电极电势称为 零电荷电势。此时，“电极/溶液”界面上不会出现由于表面剩余电荷而引起的离子双电层。2.测定零电荷电势的方法:(1)毛细曲线法（对于液态金属电极）;(2)微分电容法.利用稀溶液中微分电容曲线上的最小值来决定，是目前最精确的测量方法。当溶液浓度小于0.01molL1时，在微分电容曲线上相应于处出现电容最小值。(3)对于固体金属，还可以通过测定一些与界面张力有关的参数，如气泡的接触角，固体的表面硬度，润湿性等来确定。表2.1 在不含能在电极上有特性吸附的阴离子的稀溶液中测得的2.4.2 研究零电荷电势的意义1.金属溶液界面不存在离子双层=，但不是没有电位。2.均处于零电荷电势的两块金属之间仍然存在电势差。因此，并不能根据相对于 测得的电势（称合理电势）来计算电池电动势等。3.虽然运用零电荷电势的概念并没有解决绝对电极电势问题，将这一概念与相对电极电势联合用于处理电极过程动力学问题却是有益的。“电极/溶液”界面的许多重要性质都是与“零电荷电势”有关:（1）表面剩余电荷的符号和数量;（2）双电层中的电势分布情况；（3）各种无机离子和有机物种在界面上的吸附行为；（4）电极表面上的气泡附着情况和电极被溶液润湿的情况等。虽然电极反应速度的基本驱动因素是相对电极电势而不是“电极/溶液”界面的性质，界面性质对反应速度还是可以有相当大的影响。影响的因素1.电极材料的影响2.溶液组成的影响2.5无特性吸附的双电层方程Gouy-stern方程1.假设双电层中离子半径d区域范围内无点电核存在；电子和离子间只存在静电力及离子热运动，不存在短程力；理想溶液的理论适用于溶液本体和双层中的离子；忽略双层中离子的不连续性分布。2.双层方程式的推导出发点：两个（1）对于1-1价型电解质，势能场中离子的分布符合Boltzmann 分布定律。2-5-1（2 2）PoissonPoisson公式公式假定溶液中离子电荷是连续分布的，可用静电学中Poisson公式把电荷密度与双电层溶液一侧的电位分布联系起来。当电位为x的一维函数时，2-5-2 可根据2-5-1式计算：将（2-5-3）代入（2-5-2）式：2-5-32-5-4利用数学上关系式：在X=d区间积分2-5-5对于（2-5-2）式在X=d区间积分：若假设在x=o到x=d的空间范围内不存在剩余电荷，则 应等于液相中全部剩余电荷qs,且等于-q2-5-6由2-5-5和2-5-6可得：仿此，对于Z-Z价型的电解质可以得到：2-5-72-5-7*（2-5-7）、（2-5-7*）均采用静电单位，如采用实用单位：在水溶液中25，T=298K1静电单位电荷=1/(3x109 )库仑1静电单位电容=1/（9x1011)法3.讨论可以求出分散层中 随X 变化呈指数衰减.1.1.由由2-5-52-5-5式式 3、讨论2、由2-5-7式位分可求C分散。2-5-8由此可见,采用分散双层理论模型可以较好地解释稀溶液中零电荷电势附近出现电容最小值.在稀溶液中,零电荷附近,C分散比C紧要小,所以C分散是决定界面电容的主要因素.但在远离零电荷电势处及溶液较浓时,按2-5-8求得电容值却比实验测得的值大得多,表示在这种情况下,决定界面电容的主要因素已不再是分散层电容而是紧密层电容了.2.关系2-5-92-5-10讨论两种极端情况1、当 时：2-5-11此时界面相间电势几乎全部在液相中，液相中剩余电荷和相间电势具有很大的分散性。2、时，2-5-122-5-13将2-5-13写成对数若在1-1价型电解质的浓溶液中及 远离 处，并且 保持一定条件下对 微分：4.G-S 方程的理论验证以上介绍了Stern处理双电层模型的基本图像和相应的理论分析，得到了若干比较合乎实际的结论。下面继而从微分电容曲线考察这一模型与实际结果吻合程度。根据Stern双电层模型，双电层可分为紧密层和分散层两部分2.6 电极/溶液界面的吸附现象一、吸附定义：（）有机分子、离子在电极表面与本体浓度不同，称吸附。（2）离子在电极表面的浓度不同，不是由静电引力引起的，而是某种短程力引起的，成为特性吸附。系指电极表面和活性粒子之间出现了在性质及强度上与化学键类似的相互作用。二、界面吸附的特殊性1.吸附粒子本身不参加电极反应，则吸附后会改变电极表面状态及界面层中的电荷分布，从而影响反应粒子的表面浓度及界面反应的活化能。2.反应粒子或反应产物能在电极表面上吸附，将直接影响有关分部步骤地动力学参数。三、不参与电极反应的表面活性粒子在电极溶液界面上的吸附表面活性物质能够强烈降低表面张力、因而容易吸附于电极表面的物质。表面活性物质分：离子型、中性有机分子型。有机分子吸附非特性吸附；离子吸附特性吸附。1.1.有机分子在电极溶液界面上的吸附有机分子在电极溶液界面上的吸附一有机化合物：绝大多数能溶于水的有机分子，如醇、醛、酮、酸、胺等，在电极/溶液界面上都具有一定的表面活性。二、测定有机分子表面活性的实验方法-求吸附量1.电毛细曲线的方法：（1）电毛细曲线的特征：（2）吸附量:2.微分电容法（1）微分电容曲线特征：1.根据假电容峰值，可粗略地估计电极表面上发生活性分子吸附的电势范围；2.可以计算活性分子的表面覆盖度（）和吸附量（）。活性分子的表面覆盖度（）假定：1.活性分子在界面上吸附排列方式不随覆盖度而变化；2.表面被活性分子覆盖的部分与未覆盖的部分彼此无关；3.在同一电极电势下，覆盖表面与未覆盖的表面上紧密层中的电势将相同。覆盖度 q为部分被活性分子覆盖的电极表面上的电荷密度,和 则分别为完全覆盖()和未覆盖()表面上的电荷密度 2.无机离子的吸附（1)电毛细曲线的特征：1.阴离子的特性吸附与电极电位有关；2.无机阴离子在界面上的特性吸附，使界面张力降低；3.阴离子的吸附使电毛细曲线最高点，即零电荷电位向负移动。（2）阴离子吸附对微分电容曲线的影响