北京科技大学电化学作业思考题-材科

电化学第二次作业1.电极双电层的GCS模型、完整模型答：①双电层GCS模型：该模型认为双电层是由紧密层和分散层共同组成，认为其形成原因是溶液浓度较低时，离子热运动增大；或电极表面电荷密度较低，静电作用较弱，这一模型对分散层的讨论比较深入细致，对紧密层的描述很简单，并且采用了与古依-查普曼相同的数学方法处理分散层中剩余电荷和电位的分布及推导出相应的双电层方程式。该模型能比较好的反应界面结构的真实情况，但由于该模型对界面的描述是一种近似的，统计平均的结果双电层方程式不能用作准确计算以及对紧密层的描述过于粗糙。即把紧密层看作厚度不变的离子电荷层，而没有考虑到紧密层组成的细节，以及由此引起的紧密层结构与性质上的特点。所以针对GCS模型对紧密层描述过于粗糙的缺陷，Bockris-Davanathan-Muller对紧密层结构进行了补充，形成了BDM模型。即完整模型。②完整模型：在GCS模型的基础上，添加了了主要有如下几个内容：①电极表面发生“水化”和水的介电常数发生变化。②对于没有离子特性吸附时形成外紧密层结构。③有离子特性吸附时形成内紧密层结构。具体完整模型如下所示：2.电极/溶液界面的吸附现象，特性吸附，无机离子与有机物的吸附在电毛细曲线、微分电容曲线上有何区别，原因是什么？答：①电极/溶液界面的吸附现象：由于界面上存在电场，某种物质的分子、原子或离子在界面富集或贫乏的现象有特殊的规律的吸附现象。②特性吸附：因非静电作用力而发生的吸附。③无机离子吸附在电毛细曲线、微分电容曲线上的区别：I．在电毛细曲线上无机离子吸附如下图所示：图1可知阴离子特性吸附使电毛细曲线的左半部分发生变化。吸附发生在比零电荷电位更正的电位范围，即发生在带异号电荷的电极表面。不同阴离子使下降程度不同，阴离子表面活性越强，使下降越大。所以阴离子吸附具有如下特点阴离子吸附使零电荷电位向负方向移动。表面活性越大，零电荷电位负移越大。原因是有特性吸附时：吸附层的阴离子与溶液中的阳离子在溶液一侧形成吸附双电层。而此时电位差为负值，则零电荷电位负移。II．而在微分电容上，无机阴离子吸附则会导致Cd上升，且阴离子活性越大，Cd上升越大。其原因是吸附层的阴离子与溶液中的阳离子形成的双电层为内紧密层结构，从而使Cd上升。③有机物吸附在电毛细曲线、微分电容曲线上的区别：I．在电毛细曲线上会使零电荷电位正移。原因是表面活性剂分子在电极表面吸附、定向排列，取代了原来的水分子形成一个新的附加的偶极子层，使电极表面剩余电荷为零的电位发生了变化。II．在微分电容曲线上则会在零电荷电位附近出现Cd下降，且表面活性剂增大，吸附量增大，Cd下降增大。因为水表活，且表活分子体积水分子，而lCr0，所以Cd会下降且会在微分电容曲线上出现吸、脱附峰，此时的电位为表面活性有机物发生吸、脱附的电位。3.零电荷电位、电化学位、相间电位、内电位、外电位、电极电位、金属接触电位、液体接界电位答：零电荷电位：电极表面剩余电荷为零时的电极电位。电化学位：将带电i粒子从无穷处移至M相中所做的功。相间电位：当带电粒子在两相间的转移过程达到平衡后，就在相界面区形成一种稳定的非均匀分布，从而在界面区建立起稳定的双电层。双电层的电位差就是相间电位。内电位：由接触良好的电子导电材料连接的两相间的内电位差。外电位：直接接触的两相间的外电位差，又称接触电位差。金属接触电位：两种不同金属接触时产生出现双电层，形成电位差，。液体接界电位：在两种组成不同或浓度不同的溶液接触界面上，由于溶液中正负离子扩散通过界面的迁移率不相等，破坏界面上的电荷平衡，形成双电层，产生一个电位差。4.什么是超级电容器，有什么特点和用途？答：超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。特点：超级电容器在分离出的电荷中存储能量，用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大。超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的。该距离和传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人大的静电容量，这也是其“超级”所在在很小的体积下达到法拉级的电容量；无须特别的充电电路和控制放电电路；和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题；用途：1.税控机、税控加油机、真空开关、智能表、远程抄表系统、仪器仪表、数码相机、掌上电脑、电子门锁、程控交换机、无绳电话等的时钟芯片、静态随机存贮器、数据传输系统等微小电流供电的后备电源。2、智能表（智能电表、智能水表、智能煤气表、智能热量表）作电磁阀的启动电源。3、太阳能警示灯，航标灯等太阳能产品中代替充电电池。4、手摇发电手电筒等小型充电产品中代替充电电池。5、电动玩具电动机、语音IC、LED发光器等小功率电器的驱动电源。6.电动汽车快速启动。7.电力系统电网改造户外开关。8.风力发电海上风机。