经典网文分享: 电化学：从入门到入门（1）

最近打算写一系列电化学的基础原理，名称暂定为"电化学：从入门到入门"。

计划写十几章左右，主要参考了Allen Bard《Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications》和John Newman的《Electrochemical Systems》这两本书。

本节核心：电极，电解质，法拉第定律

1. 电化学系统基本构成

每个电化学系统必须包含两个由电解质隔开的电极，并通过外部电子导体连接。离子通过电解质从一个电极流到另一个电极，并且通过流过外部导体的电子形成完整电路。

电极（electrode），是电子导体，指电子在其中可自由移动的材料，因此可用于感测（或控制）电子的电势。它可以是金属或其他电子导体，例如碳、合金、金属间化合物、过渡金属硫属元素化物或半导体。特别地，在发生电化学反应或与相邻相的一些类似作用时，电极被认为是电子导体。电子传导性通常随着温度的升高而略微降低，并且为10^2至10^4 S/cm，其中西（S）是欧姆的倒数。

电解质（electrolyte），是离子导体，指离子在其中自由，而电子阻隔移动的材料。离子导体包括熔盐，溶液中的解离盐和一些离子固体。在离子导体中，中性盐离解成它们的组分离子。我们使用术语"species"来指代离子以及不离解的中性分子成分。离子电导率通常随着温度的升高而增加，并且为10^-4至10^-1 S/cm，也可以更低。

除了这两类材料之外，一些材料是混合导体，其中电荷可以通过电子和离子传输。混合导体偶尔用于电极中，例如，在固体氧化物燃料电池中。

因此，电化学电池的关键特征在于它包含两个电极，这两个电极允许电子传输，电子被电解质隔开，该电解质允许离子移动但阻挡电子的移动。为了从一个电极到达另一个电极，电子必须通过外部导电电路，在此过程中做功或吸收功。

2. 电化学反应和化学氧化还原反应区别

二者主要区别在于：在电化学反应中，在一个电极处发生还原，在另一个电极处发生氧化；而在化学反应中，还原和氧化都在相同的位置发生。在电化学反应中，氧化与还原在空间上是分离的。因此，一个完整的氧化还原反应被分成两个半电池（half-cell）。这些反应的速率可以通过在电极之间的电势差来控制，例如，利用外部电源，这在一般的化学中是没有的。最后，电化学反应总是非均相的，也就是说，它们总是发生在电解质和电极之间的界面处（并且可能发生在第三相，例如气态或绝缘反应物）。

3. 电化学反应基本规则：电荷守恒和法拉第定律

尽管半电池反应发生在不同的电极上，但反应速率通过电荷守恒和电中性（electroneutrality）原理进行处理。实现电荷的空间分离需要非常大的力。因此，电流是连续的：离开一个电极的所有电流必须进入另一个电极。在电极和电解质之间的界面处，电流仍然是连续的，但带电物质的特性从电子变为离子。这种变化是由电荷转移（即电化学）反应引起的。在电解质中，电中性要求与阴离子具有相同数量的阳离子：