Перенапряжение

редактировать
Эта статья о концепции электрохимии. Для получения информации о состоянии неисправности в электротехнике см. Повышенное напряжение.

В электрохимии, перенапряжение является потенциальной разностью ( напряжение ) между полуреакцией «S термодинамически определяется восстановительный потенциал и потенциалом, при котором окислительно - восстановительном экспериментально наблюдаемом событии. Этот термин напрямую связан с КПД ячейки по напряжению. В электролитической ячейке наличие перенапряжения подразумевает, что ячейке требуется больше энергии, чем термодинамически ожидается, чтобы вызвать реакцию. В гальваническом элементе наличие перенапряжения означает, что рекуперируется меньше энергии, чем предсказывает термодинамика. В каждом случае лишняя / недостающая энергия теряется в виде тепла. Величина перенапряжения зависит от конструкции каждой ячейки и варьируется в зависимости от ячейки и рабочих условий, даже для одной и той же реакции. Перенапряжение определяется экспериментально путем измерения потенциала, при котором достигается заданная плотность тока (обычно небольшая).

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Термодинамика
  • 2 разновидности
    • 2.1 Перенапряжение активации
      • 2.1.1 Перенапряжение реакции
    • 2.2 Перенапряжение концентрации
      • 2.2.1 Пузырьковое перенапряжение
    • 2.3 Перенапряжение сопротивления
  • 3 См. Также
  • 4 ссылки

Термодинамика

Ниже перечислены четыре возможных полярности перенапряжения.

  • Анод электролитической ячейки более положительный, он потребляет больше энергии, чем требуется термодинамике.
  • Катод электролитической ячейки более отрицательный, он потребляет больше энергии, чем требуется термодинамике.
  • Анод гальванического элемента менее отрицательный, вырабатывая меньше энергии, чем это возможно термодинамически.
  • Катод гальванического элемента менее положительный и вырабатывает меньше энергии, чем это возможно термодинамически.

Перенапряжение увеличивается с ростом плотности (или скорости) тока, как описано уравнением Тафеля. Электрохимическая реакция представляет собой комбинацию двух полуэлементов и нескольких элементарных стадий. Каждый шаг связан с несколькими формами перенапряжения. Общее перенапряжение - это сумма многих индивидуальных потерь.

Эффективность напряжения описывает долю энергии, потерянную из-за перенапряжения. Для электролитической ячейки это отношение термодинамического потенциала ячейки к экспериментальному потенциалу ячейки, преобразованное в процентиль. Для гальванической ячейки это отношение экспериментального потенциала ячейки к термодинамическому потенциалу ячейки, преобразованное в процентиль. Не следует путать КПД по напряжению с КПД Фарадея. Оба термина относятся к режиму, в котором электрохимические системы могут терять энергию. Энергия может быть выражена как произведение потенциала, тока и времени ( джоуль = вольт × ампер × секунда ). Потери в потенциальном члене из-за перенапряжения описываются КПД по напряжению. Потери в текущем члене из-за неверно направленных электронов описываются эффективностью Фарадея.

Разновидности

Перенапряжение можно разделить на множество различных подкатегорий, которые не все четко определены. Например, «перенапряжение поляризации» может относиться к поляризации электрода и гистерезису, обнаруживаемым в прямых и обратных пиках циклической вольтамперометрии. Вероятная причина отсутствия строгих определений заключается в том, что трудно определить, какая часть измеренного перенапряжения получена из конкретного источника. Перенапряжения можно разделить на три категории: активация, концентрация и сопротивление.

Перенапряжение активации

Перенапряжение активации для выделения водорода, кислорода и хлора на различных материалах электродов при 25 ° C
Электрод Материал Водород Кислород Хлор
Серебряный −0,59 В +0,61 В
Алюминий −0,58 В
Золото −0,12 В +0,96 В
Бериллий −0,63 В
Висмут −0,33 В
Кадмий −0,99 В +0,80 В
Кобальт −0,35 В +0,39 В
Медь −0,50 В +0,58 В
Железо -0,40 В +0,41 В
Галлий −0,63 В
Меркурий −1,04 В
Индий −0,80 В
Молибден −0,24 В
Ниобий −0,65 В
Никель −0,32 В +0,61 В
Вести −0,88 В +0,80 В
Палладий −0,09 В +0,89 В
Платина −0,09 В +1,11 В +0,10 В
Платина ( платинированная ) −0,01 В +0,46 В +0,08 В
Нержавеющая сталь −0,42 В +0,28 В
Графитовый −0,47 В +0,50 В +0,12 В

Перенапряжение активации - это разность потенциалов выше равновесного значения, необходимого для создания тока, который зависит от энергии активации окислительно-восстановительного события. Хотя это неоднозначно, «перенапряжение активации» часто относится исключительно к энергии активации, необходимой для передачи электрона от электрода к анолиту. Этот вид перенапряжения также может быть назван «перенапряжение переноса электрона» и является компонентом «перенапряжения поляризации», явления, наблюдаемого в циклической вольтамперометрии и частично описываемого уравнением Коттрелла.

Перенапряжение реакции

Перенапряжение реакции - это перенапряжение активации, которое конкретно относится к химическим реакциям, которые предшествуют переносу электрона. Перенапряжение реакции можно уменьшить или устранить с помощью электрокатализаторов. Скорость электрохимической реакции и соответствующая плотность тока определяются кинетикой электрокатализатора и концентрацией субстрата.

Платины электрод общий для большей части электрохимии является электрокаталитически участвует во многих реакциях. Например, водород окисляется, а протоны легко восстанавливаются на платиновой поверхности стандартного водородного электрода в водном растворе. Замена платинового электрода электрокаталитически инертным стеклоуглеродным электродом дает необратимые пики восстановления и окисления с большими перенапряжениями.

Повышенная концентрация

Концентрационное перенапряжение охватывает множество явлений, связанных с истощением носителей заряда на поверхности электрода. Перенапряжение пузыря - это особая форма перенапряжения концентрации, при которой концентрация носителей заряда снижается за счет образования физического пузыря. «Перенапряжение диффузии» может относиться к перенапряжениям концентрации, создаваемому медленными скоростями диффузии, а также «перенапряжениям поляризации», перенапряжение которого происходит в основном из перенапряжения активации, но чей пиковый ток ограничивается диффузией аналита.

Разность потенциалов вызвана различиями в концентрации носителей заряда между объемным раствором и поверхностью электрода. Это происходит, когда электрохимическая реакция идет достаточно быстро, чтобы снизить поверхностную концентрацию носителей заряда ниже концентрации в объеме раствора. В этом случае скорость реакции зависит от способности носителей заряда достигать поверхности электрода.

Перенапряжение пузыря

Перенапряжение пузырьков - это особая форма перенапряжения концентрации, которая возникает из-за выделения газа либо на аноде, либо на катоде. Это уменьшает эффективную площадь для тока и увеличивает локальную плотность тока. Примером является электролиз водного хлорида натрия в растворе, хотя и кислорода должны быть произведены на аноде на основе его потенциала, пузырь перенапряжение причин хлора, чтобы быть получен вместо того, чтобы, что позволяет легко промышленного производства хлора и гидроксида натрия путем электролиза.

Перенапряжение сопротивления

Перенапряжения сопротивления связаны с конструкцией ячейки. К ним относятся «перенапряжения перехода», которые возникают на поверхностях электродов и границах раздела, например, на электролитных мембранах. Они также могут включать аспекты диффузии электролита, поверхностной поляризации ( емкости ) и других источников противодействующих электродвижущих сил.

Смотрите также

использованная литература

Последняя правка сделана 2023-04-05 06:52:06
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте