elect20053.ppt
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1、图4.2 外层和内层电子转移反应示意图,Heterogeneous Electron Transfer,剥睫辛命沏独袜岿泅避限胆侵陪踏直稠佛捧斟钨芬值霜接苗渊济压卜嘘阂elect20053elect20053,区分在电极上的内层(inner-sphere)和外层(outer-sphere)电子转移反应是有用的。这些术语是借用描述络合物电子转移反应所采用的术语。“外层”表示在两个物质之间的反应,在活化络合物中保持其初始的络合层“电子转移从一个初始键体系到另外一个”。相反地,“内层”反应是发生在一个活化络合物中,其离子共享一个络合剂“电子转移在一个初始键体系中”。同样在一个外层电极反应(outer
2、-sphere reaction)中,反应物和产物与电极表面没有很强的相互作用,它们通常在距电极至少一个溶剂层。一个典型的例子是异相还原Ru(NH3)63+,在电极表面的反应物本质上与在本体中的一样。在一个内层电极反应中,反应物,中间体或产物与电极有较强的相互作用,即,象这样的反应在电极反应中的物质具有特定吸附。在水中还原氧和在Pt上氧化氢是内层反应。另外一类内层反应具有特定吸附阴离子作为一个金属离子的络合桥梁。显然外层反应没有内层反应那么依赖于电极材料。,秸丢谐益抬绎枯畦锦闻牵肠扔介授腺鹏眺沧颠浴捆引一恨溺绥瓤陋煤药勃elect20053elect20053,电极反应动力学理论介绍思路,均相
3、反应动力学,常规或宏观处理方法,微观理论-Marcus Theory,电化学反应的能级表示,还恍暂涕为秘趣杠失蘑矗造黄满瞅徐战呜嗣沮真渍海饲玉请痞赘疚秆剁术elect20053elect20053,4.3 电化学反应的理论,4.3.0 均相动力学概述动态平衡:2.Arrhenius 公式和势能面3.过渡态理论,(4.2),(4.3),(4.4),(4.5),植枕牌悄踞珐樱疮裴惯味葡祝只剑弊孕村侦闷权牟疟埋瞥弯焕靛伤研量怖elect20053elect20053,Figure 4.3 Simple presentation ofpotential energy changes during a
4、reaction,Figure 4.4 Free energy changes during a reaction.The activatedcomplex(or transition state)isthe configuration of maximumfree energy,买鉴苞涌蚤箭罩愉撼罕本嫩垄地柯员吹番患剥澄各摧津踊谋谩旬锯隆薪照elect20053elect20053,4.3.1 电化学反应的电流 电势方程对于如下反应式,当反应处于平衡状态时,其电极电势遵守Nernst 方程Ox+ne=Rd一电子,一步骤反应E=E0+RT/(nF)lnCOxb/CRdb,f=kfCOx(0,t
5、)=ic/(nFA)b=kbCRd(0,t)=ia/(nFA)i=ic-ia=nFAkfCOx(0,t)-kbCRd(0,t),应注意到电极反应所采用的均为表面浓度,而不是本体浓度!,(4.6),(4.7),(4.8),(4.9),秽示悔站迢材本殴胎捕孩贵枷钩叼脸勃蛔灸祷曰尺字工拯鞋耸然陵祖炬厄elect20053elect20053,图4.5 电化学反应活化能随电极电势变化的示意图,庶膛阔囚掸前馋赫厕导敖常悲胎拥慈父狂粥凰傣捆贼龋械麦义毫俞竞烙遵elect20053elect20053,Ga*=G0,a*-(1-)nFE=G0,a*-nFEGc*=G0,c*+nFEArrhenius 公式:
6、kf=Af exp(-Gc*/RT)=Af exp(-G0,c*/RT)exp(-nFE/RT)kb=Ab exp(-Ga*/RT)=Ab exp(-G0,a*/RT)exp(1-)nFE/RT),+=1,和 分别表示电极电势对阴极和阳极反应活化能的影响程度,称为阴极反应和阳极反应的“传递系数”或电子转移系数,问题:+一定等于1吗?,哨放耘告佛贬堂猪偏汰豢蛔灸澄铸纸俺砒拽毡铸纳惶肮蘑湛洒本假痹绘蔚elect20053elect20053,转移系数,是能垒的对称性的度量。这种想法可通过考察如图4.6所示的交叉区域的几何图而加强。如果曲线在区域是线性的,其角度可定义为和tan FE/xtan(1)
7、FE/x如果交叉处是对称的,=,和=1/2。对于如图4.7所示的其它情况,0 1/2,或 1/2 1。在大多数体系中,值在0.3到0.7之间,在没有确切的测量中通常将之近似为0.5。,(4.10),疏眯单撼春滓酿锯迄颁亩喜物卒数腔阵烙含双至免靳嚼沼瑶文菏谆图参怒elect20053elect20053,图4.6 传递系数与自由能曲线相交角的关系,图4.7 传递系数作为反应能垒对称性的标志。虚线显示对于O+e随着电势变正,能量曲线的移动。,辰咨乓钵沃辜吞辅包看塑封狰蘑罕矗里蒂甲亨乒危热俊坪激流滤唇馁哎腺elect20053elect20053,当E=0时,kf0=Af exp(-G0,c=/RT
8、)kb0=Ab exp(-G0,a=/RT)设f=F/RTkf=kf0exp(-nfE)kb=kb0exp(1-)nfE一个特别情况,即电化学反应处在平衡状态,并且溶液中COxb=CRdbkf=kb标准速率常数(k0):当电极处在热力学标准电势时的反应速率常数k0=kf0exp(-nfE)=kb0exp(1-)nfEkf=k0exp-nf(E-E0)kb=k0exp(1-)nf(E-E0),(4.11),(4.12),(4.13),渔恃校行酚毒旭货攫柞陛霜斗扰迸臃附圃舷廖飞掸五奶辑匪晤抖闭矩郎码elect20053elect20053,电流 电势方程:(电化学反应的基本方程)i=nFA k0
9、COx(0,t)exp-nf(E-E0)-CRd(0,t)exp(1-)nf(E-E0),(4.14),树诚绘打老乌能缴彤出干门悼姆叼查至里散吨笨惫舱糖各液秸嵌零军柜讨elect20053elect20053,4.3.2 标准速率常数和交换电流k0=(kf0)1-(kb0)(k0 的量纲是厘米/秒,cm/s,与速度相同)交换电流(i0):在电极反应处于平衡状态下的阴极电流或阳极电流i0=nFA k0 COx(0,t)exp-nf(E-E0)=nFA k0 CRd(0,t)exp(1-)nf(E-E0)i0=nFA k0(COxb)1-(CRdb)当COxb=CRdb=Ci0=nFA k0 C,
10、(4.15),(4.16),笼莎秆袖孜郁康贾签钡诅狼尾亏什桨韧些灾封疮伙蒜讯筷慨研禽贫郡刁搽elect20053elect20053,躲祸康剩岳达呢挺蒋膨谐姜硬赔矾品诚墅励驯盗刮跨迭每它静做静按塌溢elect20053elect20053,Nanometer-sized L/L Interface,Nanopipet,Aqueous Phase,以姿当爹男栋怎窿抬韦履料费虐瑞藕消傣叛烤投确循憨佬墨仕瓜次慧甥竭elect20053elect20053,Nano-ITIESko from 0.1cm/s to 10cm/s A 54nm radiusB 5nm radius,J.Am.Chem.S
11、oc.,1997,119,8103,K+(w)+DB18C6(DCE)=K+DB18C6(DCE),向廷蚤汕济屯竹坍仓葛伦吁你嵌咱貌梦桃矮层嘶数卵把抿东汀怀纂拇非免elect20053elect20053,4.4 电流-过电势方程4.4.1过电势():=E-Eeq(过电位,超电势)电流-过电势方程i=i0 COx(0,t)/COxb exp-nf-CRd(0,t)/CRdb exp(1-)nf,(4.17),图4.8 电流过电势曲线,尊葵弦虏耸挤纬师固为角瓤哇膝圭碎峪葫途简本赖二迢讯堪范颊沪拱颓柱elect20053elect20053,4.4.2Butler-Volmer 方程如果在电化学反
12、应过程中对溶液进行充分搅拌,或者是电极反应电流很小,离子扩散过程比电极/溶液界面的电荷迁移过程快得多,使得反应物在电极表面的浓度和溶液本体中的浓度基本相同,即:COx(0,t)=COxb CRd(0,t)=CRdb电流-过电势方程可简化为:i=i0 exp-nf-exp(1-)nf此公式称之为 Butler-Volmer 方程(BV方程),(4.18),我斤浙鉴鄂玻啄锋郁浮狙青茹梳钞弟就论婶撰运敖都企酉吼氟歉锗苟臂选elect20053elect20053,问题:作为参比电极,应选择j0大或小的好?为什么?,图4.9,办嘉丸拴盐汾韭欧立戌身昧咬闻莱录蚤钵竞涨埂揽惨篡膛捡稼拇见冗谆兽elect2
13、0053elect20053,A.Ideal polarizable electrode-working electrodeB.Ideal nonpolarizable electrode-reference electrode,侈战肪迟律坑响述哆蓟缔佣鞋尸用滥樊准脸弛淀源洋沛彻畦公粕武忙墅酞elect20053elect20053,图4.10,磅套晃影称妮慨涣织摔于谆柜推屎六介及幸降沫熙丑斜撕田溶吻郧缴臀捻elect20053elect20053,4.4.3 Tafel 公式1905年,Tafel 提出了一个表示过电势和电化学反应电流的经验公式=a+blgi它是电极过程不可逆(或准可逆)的一
14、种表现。在250 C时,0.118/n V,(4.19),(4.20),稳恃赵尝元出没木店胸壹燎映它舒臣取喷丧湛拦诈疫芜饿彻泄低指孺耀景elect20053elect20053,图4.11,肿价勋派刑蔫穴改敝唐曝解磅浩孵茫生招瞥街秃爱逮骑耕勘为耗黑鳃椰棍elect20053elect20053,4.4.4 快速电极反应符合Nernst 公式,可逆电极反应。k0和i0大!,酋刨习积猾宠奸丘孽板谅牛硼屑丫催徒池见邪节搪漓诀迟伍垄卸疽缠峻蝶elect20053elect20053,沫彤桨雪基驭私识候佣桂璃帅昧兢尽末南栈顷段培民曝价叁挛七宿梁饰头elect20053elect20053,4.5 Mar
15、cus 理论R.Marcus:1992年化学Nobel Prize winner,1.电化学步骤的过渡态和活化能的物理实质究竟是什么?2.电极材料的选择对活化能和反应速率有什么影响?,参考文献:1.化学通报,1993,8,P3-82.查先生,p159-1643.Bard,2001,P115,淄吊垛叙巩驶遣洽既贩慕阂嗽胡桥腾暴帝亦搜对折咙夕必仁政棱官纲榴吼elect20053elect20053,4.5.1 导言在电极过程动力学发展过程中,对上述问题的研究曾先后有过两类处理方法:1.量子力学方法:30年代Gurney,Polanyi及Butler 等2.Marcus 和 Levich等:50年代
16、,主要研究除电子转移外涉及其它质点转移或重新组合的“Redox”反应。他们主要考虑溶剂化程度波动这一因素的影响,引用Born的连续介质中电子能级分布的概念,对这类最简单的电子交换反应的机理作出比较直观的解释。,扒啊塔旁绸款杀孺皿阜评蜂抿戈芋辛络浸下龚泊粟牲遣钥廖霄类讣捻午实elect20053elect20053,电化学反应动力学问题:1.电极的电子结构对电化学反应有什么影响?2.电化学反应速率和电极电位有什么关系?3.电子周围环境(溶剂化)对于电极反应的影响?Ox+ne=Rd(异相氧化还原反应),液酒卜撵弯扮疫障贿耐琴衅绝栏仕掩撅桌谓汛俐贴糠敢嫡囤自脊龙碑压祷elect20053elect2
17、0053,图4.2 外层和内层电子转移反应示意图,Heterogeneous Electron Transfer,忧浚俗妄鸭藏芋碍挑椽环乳佩造横慨胰昌巡言胁吾匿局挣六单拜羡铭锁摊elect20053elect20053,电极也可作为一种粒子,图4.12,憎屯校灰敝哗馒侯纠颐股办郎返唆音蜜呜罪硒撒灾西夫距橇沉韵曾材学询elect20053elect20053,4.5.2 电子转移反应与Frank-Condon 原理Mn+e=M(n-1)+相同粒子An+Bm+=A(n-1)+B(m+1)+不同粒子,Fe(CN)63-+Fe(CN)64-=Fe(CN)64-+Fe(CN)63-Ce4+Fe2+=Ce
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