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《电化学测量方法》教材解读&复习建议(上)<电流密度I i>

《电化学测量方法》教材解读&复习建议(上)

写在前面

本笔记以贾铮老师的《电化学测量方法》为模板,结合作业题,梳理每一章节的核心内容,目的是针对可能的考试内容进行复习。复习的要点如下:

用的什么电测方法,这个方法能测哪些参数,怎么测的,测量的条件是什么,(优势和不足)

尽量围绕考点,只用记住几个核心的公式。

推导是帮助理解的,考试忽略具体的推导过程。不要纠结于繁琐的数学变换技巧,重点看第1条。

只追求考试的话,重点看结论部分和下划线部分就可以了,总结了每一章的可能性较大的考点

先以考试为主,如若追求知识体系的完整性,细节部分会在以后有空余时间的时候补上,再看不迟。

第1章|电流阶跃暂态测量 结论

电化学测量(以下简称电测)的基本原则:

当进行电测以研究某一基本过程时,要控制实验条件,突出主要矛盾,是该过程在电极总过程中占主导地位,降低或消除其他基本过程的影响。通过研究总过程研究这一基本过程

电测的三个步骤:

实验条件的控制,实验结果的测量和实验结果的解析

第2章|电化学体系的数学描述

第3章|电化学测量实验的基本知识 结论

列出4种常见的参比电极,并说明4种参比电极分别适用的电化学体系

可逆氢电极 P t , H 2 ∣ H + Pt, H_2|H+ Pt,H2​∣H+, 适用大部分电化学体系甘汞电极 H g ∣ H g 2 C l 2 ( 固 ) ∣ C l − Hg|Hg_2Cl_2(固)|Cl^- Hg∣Hg2​Cl2​(固)∣Cl−,适用大部分电化学体系汞-氧化汞电极 H g ∣ H g O ( 固 ) ∣ O H − Hg|HgO(固)|OH^- Hg∣HgO(固)∣OH−,碱性溶液体系汞-硫酸亚汞电极 H g ∣ H g S O 4 ( 固 ) ∣ S O 4 2 − Hg|HgSO_4(固)|SO_4^{2-} Hg∣HgSO4​(固)∣SO42−​,硫酸溶液体系

画图说明“三极两路”(三电极两回路),采用两回路测量的原因是什么

第4章|稳态测量方法

简要介绍稳态和暂态过程的特点:特点+定义

稳态过程定义:一定时间范围内,电化学系统的参量(电极电势,电流密度,界面附近粒子浓度,电极界面状态)变化甚微或基本不变 的状态

稳态特点:

不存在双层充放电电流,所有电流用于电化学反应,极化电流密度对应电化学反应速率电极界面扩散层不在发展,扩散层厚度 δ delta δ恒定,层内浓度只是空间的函数,而与时间无关

暂态过程定义:极化条件改变时,从一个稳态向另一个稳态转变,期间所经历的不稳定的,电化学参数显著改变的状态

暂态特点:

存在双层充放电电流 i c i_c ic​扩散层内粒子浓度不仅是空间位置的函数,也是时间的函数

稳态与平衡态的区别:

平衡态是稳态的一种特殊情况

以 Z n 2 + / Z n Zn^{2+}/Zn Zn2+/Zn电极的阳极溶解为例,稳态溶解是,正逆反应速率相差一个稳定的常数值,表现为稳定的阳极电流,此时传质速率恰好等于溶解速率,界面区 Z n 2 + Zn^{2+} Zn2+离子浓度分布维持不变,表现为电流电势均不变。

平衡态是指正逆反应速率相等,总反应速率为0,总电流为0,此时的电位是平衡电位 ϕ e phi_e ϕe​

稳态扩散电流(密度)要记住 稳态扩散, δ = c o n s t , i = n F A D o ( d C o d x ) x = 0 = n F A D o C o ∗ − C o S δ 极限扩散 , C o S = 0 , i d = n F A D o C o ∗ δ 稳态扩散,delta = const, i = nFAD_o(frac{dCo}{dx})_{x=0} = nFADo frac{Co^*-Co^S}{ delta } \ 极限扩散,Co^S=0, i_d = nFADo frac{Co^*}{delta} 稳态扩散,δ=const,i=nFADo​(dxdCo​)x=0​=nFADoδCo∗−CoS​极限扩散,CoS=0,id​=nFADoδCo∗​ 比较 i Θ 和 i d i^Theta和i_d iΘ和id​的关系,判断传荷过程和传质过程快慢:

引理:B-V公式,这里暂且照抄,后期统一成《电化学原理》课堂上讲的熟悉的符号 i = i Θ [ e x p ( − α n F R T η ) − e x p ( β n F R T η ) ] i = i^{Theta}[exp(-frac{alpha nF}{RT}eta) - exp(frac{eta nF}{RT}eta)] i=iΘ[exp(−RTαnF​η)−exp(RTβnF​η)] 这里只考虑了电化学极化,如果引入浓差极化对表面离子浓度进行修正: i = i Θ [ ( 1 − i i d O ) e x p ( − α n F R T η ) − ( 1 − i i d R ) e x p ( β n F R T η ) ] i Θ = n F A k Θ C , k Θ 为标准反应速率常数 i d = n F A D o C o ∗ δ i = i^{Theta}[(1-frac{i}{i_{dO}})exp(-frac{alpha nF}{RT}eta) - (1-frac{i}{i_{dR}})exp(frac{eta nF}{RT}eta)] \ i^Theta = nFAk^Theta C, k^Theta 为标准反应速率常数 \ i_d = nFADo frac{Co^*}{delta} \ i=iΘ[(1−idO​i​)exp(−RTαnF​η)−(1−idR​i​)exp(RTβnF​η)]iΘ=nFAkΘC,kΘ为标准反应速率常数id​=nFADoδCo∗​ 可得: i Θ : i d = k Θ δ D = k Θ m , m = D δ i^Theta:i_d = frac{k^Theta delta}{D} = frac{kTheta}{m}, m = frac{D}{delta} iΘ:id​=DkΘδ​=mkΘ​,m=δD​

所以:

当 i Θ : i d > > 1 i^Theta: id >> 1 iΘ:id>>1时,即 k Θ > > m k^Theta >> m kΘ>>m时,(容易接近极限扩散电流)浓差极化更容易出现,电极表现为可逆体系,平衡不容易被打破。所以稳态极化曲线不适合研究反之,电化学极化更容易出现,电极容易处于不可逆状态,这样的电极在不同的超电势范围内表现不同极化程度,此时又分两种情况 − η > R T α n F -eta > frac{RT}{alpha nF} −η>αnFRT​时,完全不可逆,退化为公式Tafel曲线,以阴极极化为例, − η = − 2.3 R T α n F l g i Θ + 2.3 R T α n F l g i -eta = -frac{2.3RT}{alpha nF} lgi^Theta + frac{2.3RT}{alpha nF}lgi −η=−αnF2.3RT​lgiΘ+αnF2.3RT​lgi − η < < R T α F -eta

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