第4篇 电极反应动力学(4):(a)传质过程的影响 (b)电流与反应物浓度的关系
(a)传质过程的影响
对于两种反应溶液混合时发生的溶液内均相化学反应,只要参与反应的物质彼此相遇,反应就可以发生在溶液内部的任何地方。
然而,电极反应则是发生在空间有限的地方,叫做电极表面。那里 必须有反应物质的存在。 换言之,电化学反应是发生在电极与电解质溶液界面的非均相化学反应,随着反应的进行,除非不断地向界面提供新的反应物,否则反应就无法稳定地持续进行。
此外,还需要有一个从界面上将反应产物除去的过程。 这些物质的传输过程的问题总是与处理电化学反应相关(图 4)。
然而,电极反应则是发生在空间有限的地方,叫做电极表面。那里 必须有反应物质的存在。 换言之,电化学反应是发生在电极与电解质溶液界面的非均相化学反应,随着反应的进行,除非不断地向界面提供新的反应物,否则反应就无法稳定地持续进行。
此外,还需要有一个从界面上将反应产物除去的过程。 这些物质的传输过程的问题总是与处理电化学反应相关(图 4)。

图 4. 电极反应过程示意图。
主要由电极界面上电子传递过程和物质传输过程组成。 注意,虽然图中没有画出,但在电子转移反应之前也有可能发生化学反应(先行化学反应CE)
如果不能正确理解溶液中的物质是如何进行传输的,即使只考虑反应的能量方面(即电位方面),可能也无法解释实际观察到的电流行为。 上一节中描述的电流与电位指数的依存关系,实际上 也只有当电极表面上的反应物浓度可视为几乎恒定时(由式(6)和(7), 电流是由K与C的乘积决定),才能观察到。
传质过程有多种形式,这些将在下一个系列的连载中详细介绍。
传质过程有多种形式,这些将在下一个系列的连载中详细介绍。


(b)电流与反应物浓度的关系
由式(4)和式(5)可知,反应速率(电流)由表面浓度和电子转移反应速率常数的乘积决定。因此,为了保持电流值,必须有较大的速度常数。那么如果电极界面处的反应物浓度实际上降低了会如何呢?

图5 浓度过电位的概念图。
图5是 浓度过电位的概念图。 与浓度较高时图5(a)的反应概率(图中为4个反应物分子对一个电子反应的概率为4分之1)相比,浓度较低时图5(b)通过增加反应几率(2分之1)来保持单位时间内的反应数量。也就是说,通过增加电极与反应物在单位时间内进行电子交换的概率,以弥补浓度的不足(图5)。
为此所需的过高的电压成分称为浓度过电压或浓度过电位。 当发生在电极界面的电子转移反应速度较大而溶液中的反应物传输供应跟不上时,就会出现浓度过电位的贡献,而此时活化过电位的贡献则相对较小。
如上所述,过电位有两种类型:活化过电位和浓度过电位。 如果电流在电极端子之间流动,则需要来自电解池(或电池)的内阻的额外电压分量(IR drop,ohm loss),但这本质上与电极反应无关。
为此所需的过高的电压成分称为浓度过电压或浓度过电位。 当发生在电极界面的电子转移反应速度较大而溶液中的反应物传输供应跟不上时,就会出现浓度过电位的贡献,而此时活化过电位的贡献则相对较小。
如上所述,过电位有两种类型:活化过电位和浓度过电位。 如果电流在电极端子之间流动,则需要来自电解池(或电池)的内阻的额外电压分量(IR drop,ohm loss),但这本质上与电极反应无关。