電極
鎖定
電子或電器裝置、設(shè)備中的一種部件,用做導(dǎo)電介質(zhì)(固體、氣體、真空或電解質(zhì)溶液)中輸入或?qū)С鲭娏鞯膬蓚€(gè)端。輸入電流的一極叫陽(yáng)極或正極,放出電流的一極叫陰極或負(fù)極。電極有各種類(lèi)型,如陰極、陽(yáng)極、焊接電極、電爐電極等。[1]
在電池中電極一般指與
電解質(zhì)溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng)的位置。電極有正負(fù)之分,一般正極為
陰極,獲得
電子,發(fā)生還原反應(yīng),
負(fù)極則為陽(yáng)極,失去電子發(fā)生
氧化反應(yīng)。電極可以是金屬或非金屬,只要能夠與電解質(zhì)溶液交換電子,即成為電極。
中文名電極外文名electrode提出者法拉第提出時(shí)間1834年應(yīng)用學(xué)科物理適用領(lǐng)域范圍電學(xué)
物理簡(jiǎn)介
定義
電極的概念是M.法拉第進(jìn)行系統(tǒng)電解實(shí)驗(yàn)后在1834年提出的,原意只指構(gòu)成電池的插在電液中的金屬棒。電池的組成部分,它由一連串相互接觸的物相構(gòu)成,其一端是電子導(dǎo)體──金屬(包括石墨)或半導(dǎo)體,另一端必須是離子導(dǎo)體──電解質(zhì)(這里專(zhuān)指電解質(zhì)溶液,簡(jiǎn)稱(chēng)“電解液”或“電液”)。結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的電極應(yīng)包括兩個(gè)物相和一個(gè)相界面,即〔金屬|(zhì)電液〕。上述定義的電極也稱(chēng)“半電池”。[2]
命名
命名方式很復(fù)雜,有些根據(jù)電極的金屬部分命名,如銅電極、鉑電極等;有些根據(jù)電極活性的氧化還原對(duì)中的特征物質(zhì)命名,如甘汞電極、氫電極;有些根據(jù)電極金屬部分的形狀命名,如滴汞電極、轉(zhuǎn)盤(pán)電極;有些根據(jù)電極的功能命名。這些名稱(chēng)如參比電極、鈉離子選擇電極(見(jiàn)離子選擇性電極)等,都是約定俗成的。[2]
表示符號(hào)
通常在電池上會(huì)標(biāo)有“+”的符號(hào),那是正極,在另一端會(huì)標(biāo)有“-”符號(hào)那是負(fù)極,同時(shí)在
蓄電池上只有正極有“+”,而負(fù)極沒(méi)有。顏色也可以表示正負(fù)極:紅色代表
正極,黑色代表負(fù)極。[2]
表達(dá)式
書(shū)刊上表達(dá)電極的方式很不一致,這里采用的方式是:寫(xiě)下各串聯(lián)的物相,每一相界面用一個(gè)隔離線(xiàn)表示。如銅電極寫(xiě)成Cu|CuSO4(1Μ,水溶液)或Cu|Cu;
甘汞電極寫(xiě)成Hg|
電極
Hg2Cl2|Cl;在水溶液中的鈍化的鐵電極可寫(xiě)成Fe|Fe3O4|Fe2O3|水溶液。
電極方塊圖把電極的各個(gè)相用分隔的方塊表達(dá),便于標(biāo)明各相界面上的反應(yīng),有助于理解電極上發(fā)生的實(shí)際過(guò)程(圖1)。[2]
物理種類(lèi)
可逆電極
任何金屬與電解液接觸都會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)(位),這是電極的最主要的特征性質(zhì)。
電極
如果電極界面上存在著單獨(dú)一種氧化還原對(duì)的快速電子交換,即存在著交換電流很大的(見(jiàn)遷越超電勢(shì))單一電極反應(yīng),這種電極能很快建立電化學(xué)平衡,稱(chēng)為可逆電極??赡骐姌O的電勢(shì)能較長(zhǎng)時(shí)期維持穩(wěn)定,抗干擾能力較大,并能精確測(cè)量。它是可逆電池的必要組成部分,是電位分析法測(cè)量裝置的核心部件,有重要的實(shí)用意義。可逆電極有以下類(lèi)型:
① 金屬電極,如銅電極(圖2),其特點(diǎn)是氧化還原對(duì)可以遷越相界面。
② 氧化還原電極,例如Pt|Fe,F(xiàn)e電極 (圖3)、Pt|Mn,MnO嬄,H電極等。它的氧化還原對(duì)不能遷越電極相界面,電極的鉑Pt只表示電極金屬是惰性的,它只是提供電子交換的場(chǎng)所,實(shí)際應(yīng)用時(shí)可采用任何惰性金屬。
電極
③ 氣體電極,是氧化還原對(duì)的一個(gè)組分為氣體時(shí)的氧化還原電極 (圖 4),例如氫電極 (Pt|H2|H)、氯電極(Pt|Cl2|Cl)等。為了加速達(dá)成平衡,金屬鉑上需要鍍上鉑黑以增加表面積并起
電催化作用。
電極
④ 難溶鹽電極,氧化還原對(duì)的一個(gè)組分是難溶鹽或其他固相。因此它包含三個(gè)物相、 兩個(gè)界面(圖1),在每一相界面上存在著單一的快速遷越過(guò)程,如甘汞電極(Hg|Hg2Cl2|Cl)、氧化汞電極(Hg|HgO|OH)。在甘汞電極中,甘汞與電解液的
溶解平衡完全受電液中濃度較高的Cl所控制,Cl在Hg2Cl2|電液界面上的交換速率也很快,故它的
電極電勢(shì)非常穩(wěn)定。它是最常用的參比電極,有些書(shū)刊稱(chēng)這類(lèi)電極為第二類(lèi)電極。
電極
膜電極 利用隔膜對(duì)于單種離子的透過(guò)性或膜表面與電解液的
離子交換平衡所建立的電勢(shì)來(lái)測(cè)量電液中特定
離子活度的裝置(圖5),例如玻璃電極、離子選擇性電極。
化學(xué)修飾電極 利用吸附、涂敷、聚合、化學(xué)反應(yīng)等方法把活性基團(tuán)、催化物質(zhì)等附著在電極金屬(包括石墨、半導(dǎo)體)表面上,使之具有較強(qiáng)的特征功能。這是70年代以來(lái)電極制備方法的新發(fā)展。
單一電極和多重電極 如果電極的金屬│電液界面上只存在一種起主導(dǎo)作用的電極反應(yīng),這就是單一電極;如果存在的不只是一種電極反應(yīng),就是多重電極。例如鋅電極(Zn|ZnSO4水溶液)上可能存在兩種電極反應(yīng):
Zn─→Zn+2e ⑴
2H+2e─→H2 ⑵
電極
但由于金屬鋅上的氫超電勢(shì)很高,反應(yīng)⑵速率太小,反應(yīng)⑴是主導(dǎo)的,上述鋅電極被認(rèn)為是單一電極,是典型的可逆電極。當(dāng)不太純的鋅浸入硫酸中時(shí),反應(yīng)⑴和⑵的速率都較快,所以【Zn|H2SO4】電極是二重電極,它的靜態(tài)電勢(shì)可根據(jù)反應(yīng)⑴和⑵的
極化曲線(xiàn)和極化規(guī)律來(lái)判斷。
金屬腐蝕體系常常是二重電極。多重電極不可能是可逆的
實(shí)際應(yīng)用時(shí),被研究的電極稱(chēng)為工作電極W,在電化學(xué)分析法中也稱(chēng)
指示電極,它的電勢(shì)可利用與參比電極R組成的二電極測(cè)量電池測(cè)量。當(dāng)工作電極需要極化時(shí),則要另用一
輔助電極(或稱(chēng)對(duì)應(yīng)電極,用C表示),組成三電極測(cè)量電池系統(tǒng)(圖6),以提供可調(diào)節(jié)的電流。此時(shí)為了減少電液中
歐姆電位降(
IR)對(duì)工作電極電勢(shì)測(cè)量的誤差,參比電極與電解液連接處應(yīng)采用毛細(xì)管,使之盡量靠近工作電極,稱(chēng)為魯金毛細(xì)管。