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什么是双电层?

放大字体  缩小字体 发布日期:2013-08-28  浏览次数:1072   关注:加关注
核心提示:与电镀过程直接有关的动力学知识是电极过程的动力学。而电极过程动力学的研究基础是建立在金属电极与溶液的双电层理论之上的。电

电镀过程直接有关的动力学知识是电极过程的动力学。而电极过程动力学的研究基础是建立在金属电极与溶液的双电层理论之上的。

电解质导电中的电子的交换是在电极表面进行的。无论是阳极还是阴极,在电解过程中,在电极上都有电子能量的交换。

电子能量到底是怎么样在电极表面交换的呢?这就要引入双电层的概念来加以说明。所谓双电层,是指当电极浸入到电解质溶液中时,由于金属电极表面的电荷密度高过溶液中分散的离子、或偶极子(比如极性分子水或其他有电荷倾向的溶质分子)的电荷,这些溶液中的离子等会以相反的电荷在电极表面排列,形成一种与电极表面电荷极性相反的动态的双电层。并且相应地存在一定的电位差。根据形成双电成的电荷载体的不同,双电层可以分为离子双电层、偶极子双电层和吸咐双电层。对于电沉积过程来说,重点要认识的是离子双电层。

离子双电层有可能是在电极与电解质溶液接触后自发形成的,但也可能是在外电源作用下形成的。比如电沉积中所使用的电源。无论哪种情况下形成的双电层,在性质上是基本一样的。

对于金属电极来说,当与电解质溶液接触时,在固相(金属)和液相(电解质溶液)之间会发生金属离子在两相间的转移。这种转移是动态的,当进入溶液中的金属离子达到一

定的量的时候,金属表面的电子数就会增加,从而以库伦力的作用使金属离子在电极表面排列,并阻滞电极上的金属离子进一步进入溶液。这就是自发形成的双电层(参见图1-1)。这种以电极金属离子进入溶液的形式形成的双电层,电极表面是负电性而溶液表面层则呈正电性。金属锌电极在含锌离子的电解液中形成的双电层就是这种性质的双电层。还有一种情况是金属电极上金属离子的化学位能比溶液中的低,这时当金属电极浸入到相应的电解质溶液时,溶液中的金属离子会自发地沉积到电极上。比如金属铜电极在硫酸盐溶液中,溶液中的铜离子会向铜表面聚集,使电极表面正电荷增加,而使双电层界面中的溶液一侧呈电负性。

金属进入到相应的溶液中形成自发双电层的速度非常快,可以说是瞬间完成的,大概只需要百万分之一秒。

而在外电源作用下形成的双电层则相当于给一个平板电容器充电。由于电极表面双电层之间的距离极近,在这个双电层之间有很高的场强。可达1010V/m。而从电工学的角度可知,当场强达到106V/m时,所有的电介质都会因放电而被击穿。由于双电层之间的距离非常小,在两极之间没有介质可以进入,因而不会引起介质破坏的问题。

双电层的这种特性可以使一些在通常情况下不能进行的化学反应得以进行。又可以使电极过程的速度发生极大的变化。

例如界面间的电位差改变0.1~0.2V,反应速度可以改变10倍左右。由此可知,电极过程的反应速度与双电层电位差之间有着非常密切的关系。

 

图1-1电极在溶液中形成双电层示意图
 


 

 

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关键词: 双电层 电镀
 
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