電場(chǎng)克服電極極化及其運(yùn)用

李大順

在工業(yè)生產(chǎn)中，我們運(yùn)用電解池獲得需要的高純度物質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，化學(xué)元素本來(lái)應(yīng)該按照金屬活動(dòng)性來(lái)制得。然而，由于電極極化導(dǎo)致電極電勢(shì)的存在，化學(xué)反應(yīng)順序被破壞，理想工業(yè)產(chǎn)物的生產(chǎn)過(guò)程被打亂。電極極化之一就是濃差極化，與之對(duì)應(yīng)的超電勢(shì)稱為濃差超電勢(shì)。它增加了原料的生產(chǎn)時(shí)間，降低了生產(chǎn)效率；甚至它會(huì)阻礙生產(chǎn)，讓我們得到無(wú)用的副產(chǎn)物，損傷了工廠的效益。本文意在運(yùn)用極化的原理，并用一定大小的電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)減弱超電勢(shì)的影響，從本質(zhì)上解決電極極化產(chǎn)生的問(wèn)題，促進(jìn)得到所需的產(chǎn)物，促進(jìn)電解化工的發(fā)展。電解是一個(gè)非常重要的化工過(guò)程，許多珍貴的金屬都是靠它提純的?；S電解要用到電解池，由于電解池是一個(gè)大容器，其里面的電解液有很多，在實(shí)際電解反應(yīng)中會(huì)導(dǎo)致電解液的不均勻分布，典型的反映就是濃差極化的產(chǎn)生。本文旨在找出合理的物理化學(xué)原理，通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)中的操作得到一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)加以推廣，得到一類適用的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，這樣可以大大減短生產(chǎn)時(shí)間和控制反應(yīng)產(chǎn)物，提高工廠的效益。

1原理電極極化

當(dāng)電極處于無(wú)電流通過(guò)時(shí)，電極處于平衡狀態(tài)，與之對(duì)應(yīng)的電極電勢(shì)是可逆電極電勢(shì)。隨著電極上電流密度的增加，電極不可逆程度越來(lái)越大，電極電勢(shì)偏離平衡電極電勢(shì)越來(lái)越遠(yuǎn)，這種現(xiàn)象就叫做電極極化。某一電流密度下電極電勢(shì)與平衡電極電勢(shì)之差的絕對(duì)值稱為超電勢(shì)，一般用η表示。

1.1濃差極化

這里以活潑金屬的陽(yáng)離子的陰極還原過(guò)程為例。

當(dāng)電流流過(guò)電極時(shí)，陰極表面電解液中的金屬陽(yáng)離子一部分沉積到陰極上，因而在靠近陰極的地方，金屬陽(yáng)離子的濃度低于原電解液的本身濃度。這個(gè)時(shí)候，原溶液的金屬陽(yáng)離子來(lái)不及補(bǔ)充，就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)液面之間的電勢(shì)差，電極電勢(shì)就會(huì)小于其平均值。這種現(xiàn)象就叫做濃差極化，對(duì)應(yīng)的超電勢(shì)叫濃差超電勢(shì)。

1.2極化的結(jié)果

綜合上述，陰極極化最終導(dǎo)致陰極的電極電勢(shì)越來(lái)越負(fù)；同理，陽(yáng)極極化最終導(dǎo)致陽(yáng)極的電極電勢(shì)越來(lái)越正。這就更加破壞了電解液中的平衡，使電解反應(yīng)速率下降甚至不能有效反應(yīng)。

1.3極化曲線

實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)電流密度變大時(shí)，正負(fù)電極電勢(shì)之差也會(huì)擴(kuò)大。我們用極化曲線來(lái)描述電極電勢(shì)與電流密度的關(guān)系。電解池的極化曲線示意圖可在相關(guān)書籍中查到，它反映了電極電勢(shì)與電流密度的關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)原理——在外加電場(chǎng)下加快離子的流動(dòng)

用外加電場(chǎng)作用于電解池，可以加快電荷的運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)反應(yīng)速率。從而縮短化學(xué)反應(yīng)時(shí)間，提高工廠效率。

2.1均勻外加電場(chǎng)

2.2點(diǎn)電荷形成的電場(chǎng)

在電解液的外面加入一點(diǎn)電荷后，設(shè)點(diǎn)電荷電量為Q，陽(yáng)極距點(diǎn)電荷為S，陰陽(yáng)兩極距離為L(zhǎng)，點(diǎn)電荷與電極兩端的距離都為h/2，設(shè)電極上電荷與中間線的距離為x，

則由點(diǎn)電荷在陽(yáng)極形成有效電勢(shì)為其中ε為電解液中的介電常量，其值約為8.85×10-12F/m，具體值還要根據(jù)實(shí)際操作情況決定，一般相差不大。

由綜上所述

（2）

即當(dāng)點(diǎn)電荷滿足式（2）時(shí)，可使其產(chǎn)生的電場(chǎng)抵消電極超電勢(shì)的影響。

綜合上述原理，當(dāng)電場(chǎng)滿足上述條件時(shí)，濃差極化對(duì)于電解液的影響就更加微弱了，若配合攪拌，濃差極化幾乎完全不用考慮。

根據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)原理，我們?cè)趯?shí)際化工生產(chǎn)過(guò)程中可以有效地結(jié)合實(shí)際操作，以求更快更好地得到生產(chǎn)所需的工業(yè)原料。由電解池外加電場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)可以得出電場(chǎng)在克服電極極化中的確有巨大的作用，而且提供了較為精確地電場(chǎng)控制條件，電場(chǎng)的大小對(duì)極化作用有影響，甚至影響產(chǎn)物的種類。

本實(shí)驗(yàn)只是在理論情況下的操作中進(jìn)行的，在實(shí)際操作中，溫度、電極表面性質(zhì)、電解液中的雜質(zhì)甚至實(shí)驗(yàn)操作的不精確都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)有所影響。然而，盡管有這些不可抗因素，這在理論上也是可行的，而且對(duì)于不是非常精密生產(chǎn)過(guò)程還是有很大的參考價(jià)值的。

本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)在于大量而精確地實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，這需要真正投入化工生產(chǎn)的工業(yè)數(shù)據(jù)來(lái)確定，根據(jù)本設(shè)計(jì)理論，再配合實(shí)際數(shù)據(jù)，即可得到實(shí)際操作所需條件，大大縮短生產(chǎn)時(shí)間，提高工作效率。