文档介绍：第一章电化学理论基础
电化学体系的基本单元
所有电化学体系至少含有浸在电解质溶液中或紧密附于电解质上的两个电
极,而且在许多情况下有必要采用隔膜将两电极分隔开。
电极
电极( )是与电解质溶液或电解质接触的电子导体或半导体,为多相
体系。电化学体系借助于电极实现电能的输入或输出,电极是实施电极反应的场
所。一般电化学体系为三电极体系,相应的三个电极为工作电极、参比电极和辅助
电极。化学电源一般分为正、负极;而对于电解池,电极则分为阴、阳极。现介绍如
下。
工作电极( ,简称:又称研究电极,是指所研究的反应在
该电极上发生。一般来讲,对工作电极的基本要求是:所研究的电化学反应不会因
电极自身所发生的反应而受到影响,并且能够在较大的电位区域中进行测定;电极
必须不与溶剂或电解液组分发生反应;电极面积不宜太大,电极表面最好应是均
一、平滑的,且能够通过简单的方法进行表面净化等等。工作电极可以是固体,也
可以是液体,各式各样的能导电的固体材料均能用作电极。通常根据研究的性质
来预先确定电极材料,但最普通的“惰性”固体电极材料是玻碳、铂、金、银、铅
和导电玻璃等。采用固体电极时,为了保证实验的重现性,必须注意建立合适的电
极预处理步骤,以保证氧化还原、表面形貌和不存在吸附杂质的可重现状态。在液
体电极中,汞和汞齐是最常用的工作电极,它们都是液体,都有可重现的均相表面,
制备和保持清洁都较容易,同时电极上高的氢析出超电势提高了在负电位下的工
作窗口,已被广泛用于电化学分析中。
辅助电极( ,简称:又称对电极,该电极和工作电极组成回
路,使工作电极上电流畅通,以保证所研究的反应在工作电极上发生,但必须无任
何方式限制电池观测的响应。由于工作电极发生氧化或还原反应时,辅助电极上
可以安排为气体的析出反应或工作电极反应的逆反应,以使电解液组分不变,即辅
助电极的性能一般不显著影响研究电极上的反应。但减少辅助电极上的反应对工
作电极干扰的最好办法可能是用烧结玻璃、多孔陶瓷或离子交换膜等来隔离两电
极区的溶液。为了避免辅助电极对测量到的数据产生任何特征性影响,对辅助电
极的结构还是有一定的要求。如与工作电极相比,辅助电极应具有大的表面积使
得外部所加的极化主要作用于工作电极上,辅助电极本身电阻要小,并且不容易极
化,同时对其形状和位置也有要求。
参比电极( ,简称:是指一个已知电势的接近于理想不
极化的电极,参比电极上基本没有电流通过,用于测定研究电极(相对于参比电极)
的电极电势。在控制电位实验中,因为参比半电池保持固定的电势,因而加到电化
学池的电势的任何变化值直接表现在工作电极电解质溶液的界面上。实际上,
参比电极起着既提供热力学参比,又将工作电极作为研究体系隔离的双重作用。
既然参比电极是理想不极化电极,它应具备下列性能:应是可逆电极,其电极电势
符合方程;参比电极反应应有较大的交换电流密度,流过微小的电流时电
极电势能迅速恢复原状;应具有良好的电势稳定性和重现性等。不同研究体系可
选择不同的参比电极,水溶液体系中常见的参比电极有:饱和甘汞电极(
电极、标准氢电极( 或)等。许多有机电化学测量是在非水溶剂中
进行的,尽管水溶液参比电极也可以使用,但不可避免地会给体系带入水分,影响
研究效果,因此,建议最好使用非水参比体系。常用的非水参比体系为
(乙腈)。工业上常应用简易参比电极,或用辅助电极兼做参比电极。在测量工作
电极的电势时,参比电极内的溶液和被研究体系的溶液组成往往不一样,为降低或
消除液接电势,常选用盐桥;为减小未补偿的溶液电阻,常使用鲁金毛细管。图
为一般电化学研究中所用的两电极体系和三电极体系的示意图。
对于化学电源和电解装置,辅助电极和参比电极通常合二为一。化学电源中
电极材料可以参加成流反应,本身可溶解或化学组成发生改变。而对于电解过程,
电极一般不参加化学的或电化学的反应,仅是将电能传递至发生电化学反应的电
极溶液界面。制备在电解过程中能长时间保持本身性能的不溶性电极一直是电
化学工业中最复杂也是最困难的问题之一。不溶性电极除应具有高的化学稳定性
外,对催化性能、机械强度等亦有要求。有关不溶性电极将在电化学应用部分加以
介绍。
隔膜
隔膜( )在电化学研究的大部分场合是电解槽必要的结构单元,隔膜
将电解槽分隔为阳极区和阴极区,以保证阴极、阳极上发生氧化还原反应的反应
物和产物不互相接触和干扰。特别是在化学电源的研究中,隔膜常常是影响电池
性能的重要因素。隔膜可以采用玻璃滤板隔膜、盐桥和离子交换膜等,起传导电流
作用的离子可以透过隔膜。电化学工业上使用的隔膜一般可分为多孔膜和离子交