了解电极和电化学电池

电极的定义和功能

电极描述

电极 是电流进出电解质的点。它是一种导体，用于与电路中的非金属部分连接。电极可以由金、铂、碳、石墨或金属等材料制成。它们是电化学电池中发生氧化还原反应的表面。电极有不同类型，包括阳极和阴极。

电极在电化学电池中的作用

电极是电化学电池的重要组成部分。它们将电池中产生的电子从一个半电池传送到另一个半电池，从而产生电荷。阴极是电流离开电池的电极，而阳极则是电流进入电池的电极。电池中的电解质是电子在阴极和阳极之间流动的通道。电解池的电位是根据参考电位为 0 伏特的标准电极系统计算得出的。

阳极和阴极的区别

阳极和阴极在电化学电池中的作用不同。在电解池中，阴极带负电，并在此电极上发生还原反应。在电池工作过程中，电子会进入阴极。另一方面，在电解池中阳极带正电，在这个电极上发生氧化反应。在电池工作过程中，电子会从阳极移出。值得注意的是，阳极和阴极的作用会根据电子流动的方向而改变。

总之，电极是电化学电池中用于促进电子转移的导体。它们在这些电池的功能中起着至关重要的作用，并根据发生化学反应的类型分为阳极和阴极。了解电极的作用和功能对于学习电化学至关重要。

电极力学

电极表面的氧化和还原过程

电极是金属表面，金属与所处溶液在此建立氧化还原平衡。电极可以是阳极或阴极。

• 阳极：阳极接收来自电解质混合物的电流或电子，使其氧化。当原子或分子靠近阳极表面时，溶液会提供电子，从而形成正离子。

• 阴极：另一方面，阴极将电子释放到溶液中，导致还原。

除牺牲电极或用于特定工艺的电极外，电极应具有稳定性和抗腐蚀性。机械作用会导致电极降解，如释放石墨微粒，这可能需要过滤。某些材料的电极膨胀也会造成问题。

阳极和阴极在这些过程中的作用

阳极和阴极在电池、燃料电池、光伏电池、电解池和二极管等电化学系统中起着至关重要的作用。

• 阳极：阳极是指发生氧化或电子流出的电极。它是电子离开电化学电池并导致氧化的终端或导体。在原电池中，阳极是固定的，不能充电，而在二次电池中，阳极可以根据电流方向改变极性。

• 阴极：阴极是指发生还原或电子流入的电极。电子从阴极进入电池，参与还原反应。与阳极类似，阴极在二次电池中也可以改变极性。

电极的腐蚀可能会很严重，尤其是当电解液中的电位发生波动或使用不同的金属作为阳极和阴极时。不过，抑制剂和其他预防方法可以帮助减少电极腐蚀。

电解是发生在电解池中的一个过程，电解池中的电能被用来进行非自发的化学反应。氧化发生在阳极（正极板），而还原发生在阴极（负极板）。

了解电极的力学原理，包括氧化和还原过程，以及阳极和阴极的作用，对于各种电化学应用至关重要。

电极的材料组成

对电极材料的要求

电化学电池的效率取决于电极的物理特性。电极的材料成分对其性能起着至关重要的作用。对电极材料的主要要求是导电性。任何导电材料，如金属、半导体、石墨或导电聚合物，都可用作电极。在许多情况下，电极由多种材料组合而成，每种材料都有特定的任务。这些材料包括

• 活性材料：这些是在电极中进行氧化或还原的颗粒。
• 导电剂：它们能提高电极的导电性。
• 粘合剂：用于在电极中容纳活性颗粒。

a. 炭黑，硬质纳米颗粒；点对点接触。 b. 导电石墨，硬质微米颗粒；点对点接触。 c. 碳纳米管，柔性；线和点接触。)

除导电性外，电极的其他重要特性还包括电阻率、比热容、电极电位和硬度。材料的成本也是技术应用中需要考虑的一个重要因素。

惰性和活性电极举例

电极可以是惰性的，也可以是活性的，这取决于它是否参与氧化还原（氧化还原）反应。惰性电极不参与反应，在化学上不发生反应。惰性电极的例子包括石墨（碳）、铂、金和铑。当电极的唯一目的是促进电流在电化学电池中流动时，就会使用这些材料。

另一方面，活性电极积极参与氧化还原反应。它们与反应物一起发生氧化或还原反应。例如，镁电极就是活性电极，因为它参与了反应。惰性和活性电极的选择取决于电化学过程的具体要求。

电极在反应中的作用

电极是发生氧化还原反应的平台。在某些情况下，反应物的固态形式被用作电极。例如，在铜银电化学池中，铜和银既是反应物也是电极。在氧化还原反应过程中，反应物电极有助于电子和离子的转移。

或者，在需要惰性电极的反应中，使用不参与反应的金属。标准氢电极（SHE）反应中的铂就是一个例子。惰性电极允许电流流动，不会干扰化学反应。

电极材料的选择对于在电化学过程中获得最佳产量和选择性至关重要。材料的特性会影响电子转移的动力学和热力学，并决定转化的成败。在选择合适的电极材料时，成本、稳定性和各种形式的可操作性等考虑因素也很重要。

电极的材料成分和内部结构是决定其性能的重要因素。电极浆料中的活性材料、导电剂和粘合剂的组合可增强其导电性和功能性。然后将混合物涂在导体上，导体在电化学电池中充当电流收集器。

总之，无论是惰性还是活性电极，其材料成分都会对其在电化学过程中的效率和功能产生重大影响。电极材料的选择应根据应用的具体要求，并考虑导电性、稳定性和成本等因素。

电极示例

常用惰性和活性电极示例

活性电极和惰性电极是有区别的。例如，镁电极通常是活性电极，因为它参与氧化还原（氧化还原）反应。铂电极通常是惰性电极，因为它不参与氧化还原反应。惰性电极不发生化学反应，其存在只是为了让电流能够流过电化学电池。

分析化学中的电极示例

分析化学中用作电极的典型材料有无定形碳、金和铂。玻璃电极通常用于 pH 值测量；在这种应用中，玻璃通过化学掺杂对氢离子具有选择性。

电池中的电极示例

• 电池包含各种电极，具体取决于电池类型。
• 铅酸蓄电池以铅电极为基础。
• 锌碳电池由锌和无定形碳电极制成。

铅酸电池、锌碳电池和锂聚合物电池

• 电解中的电极示例
• 电能可用于将盐和矿石转化为金属。

在从氧化铝中提取金属铝的霍尔-赫鲁特工艺中，阳极和阴极均由石墨制成。

使用碳阳极和铁阴极通过电解生产金属钠。

惰性电极

不干扰或不参与任何化学反应的金属被称为惰性电极。不过，它仍然通过电子穿过溶液而不是交换离子来传输电能。

惰性电极的例子包括石墨、铂、金和铑。

定量分析中的电极

在电位分析中，指示电极对分析物活性或 "有效浓度 "的差异做出反应。与原子光谱法或离子色谱法相比，电位分析法的简便性使其成为一种经济的技术。这些程序可根据细胞受控的方面进行分类。

• 电极用于通过非金属物体提供电流，以多种方式改变这些物体，并出于各种目的测量电导率。例如
• 电极的应用（纳米纤维网柔性电极、燃料电池堆的双极板、脑电图等）
• 燃料电池电极
• 用于医疗目的的电极，如 EEG（记录大脑活动）、ECG（记录心脏跳动）、ECT（脑电刺激）、除颤器（记录和提供心脏刺激）
• 生物医学研究中用于电生理学技术的电极
• 用于电椅处决的电极
• 电镀电极
• 电弧焊电极
• 阴极保护电极
• 接地用电极
• 使用电化学方法进行化学分析的电极
• 用于纳米电化学高精度测量的纳米电极
• 用于电解的惰性电极（由铂制成）

膜电极组件

泰瑟电击枪电极

标准氢电极（SHE）

SHE 的定义和重要性

标准氢电极 (SHE) 是科学家用来作为所有半电池电位反应基准的电极。标准电极电位值为零，因此是使用不同电极或浓度计算电池电位的基础。拥有像 SHE 这样的通用参比电极对于电化学实验中的精确测量和比较至关重要。

SHE 的材料组成和反应过程

SHE 由含有一块方形铂的 1.0 M H+（aq）溶液组成。铂与铂丝相连，可以进行电子交换。在玻璃管中，氢气通过并进入溶液，发生以下反应：

氢离子和氢气之间的这种平衡确立了 SHE 的基准电位。

氢电极（1. 电极铅 2.盐桥 3.镀铂黑铂电极 (a) 标准氢电极)

设置和使用 SHE 的挑战

设置和使用 SHE 可能会遇到一些挑战。其中一个挑战是确保参比电极在长时间和温度变化时的稳定性。SHE 的组件必须稳定，并能提供固定的、可重复的电极电位。

另一个挑战在于参比电极的构造。SHE 由一个玻璃套组成，顶部有一个小入口，底部有多个出口。玻璃套内有一根两端密封的玻璃管，管内装有铂丝，下端装有铂板。玻璃套和玻璃管浸没在装有 1 M HCl 溶液的容器中。这些组件的正确构造对 SHE 的准确运行至关重要。

总之，标准氢电极是电化学中的重要工具，是测量和比较电极电位的基准。要确保实验测量的稳定性和准确性，需要对其构造和使用进行仔细研究。

三电极系统

三电极系统是伏安法的重要组成部分。它由三个电极组成：工作电极、参比电极和辅助电极。每个电极在系统中都起着特定的作用。

1. 三电极系统说明三电极系统用于电分析化学中的伏安分析。它可以测量和控制电化学电池中的电流。该系统由以下电极组成：

2. 工作电极:工作电极负责将电子传送到电池中的物质或将电子从电池中的物质传送出来。它有助于伏安法过程中发生的电化学反应。

3. 参比电极:参比电极具有既定的电极电位。它可用作电化学电池中的半电池。通过比较工作电极和参比电极的电极电位，可以确定工作电极的电极电位。

:辅助电极确保电流不通过参比电极。它与工作电极的电流保持平衡。辅助电极也称为对电极。

三电极系统（1. 恒电位设定点 2.高增益运算放大器 3.测电计 4.非常接近）

• 工作电极、参比电极和辅助电极的作用

• 在三电极系统中，每个电极都有特定的作用：

• 工作电极通过在电池中的物质之间传输电子来促进电化学反应。

参比电极提供一个已知的电极电位，据此可以测量工作电极的电位。它是确定工作电极的电极电位的参考点。

辅助电极又称对电极，可确保电流流过电化学电池而不经过参比电极。它使电流与工作电极的电流保持平衡。

与双电极装置相比，三电极系统具有明显的优势。它可以隔离工作电极，从而能够准确、可靠地研究特定反应。这种装置常用于电化学实验。

另一方面，双电极装置则用于测量整个电池电压非常重要的情况，如电池、燃料电池和超级电容器等电化学能源装置。当预期反电极电位在整个实验过程中保持稳定时，也可以使用这种方法。

总之，三电极系统是伏安法的重要工具，可以精确测量和控制电化学反应。

参比电极示例

甘汞电极由一个带侧耳的玻璃管组成。管子底部是纯汞，其中密封有用于电气连接的铂丝。水银上方是氯化汞（甘汞）在水银中的糊状物。试管的其余部分装有饱和氯化钾溶液。挎斗用于将其浸入任何用于耦合甘汞电极的溶液中。

1. 甘汞电极
2. 工作原理甘汞电极可用作负电极，根据与之耦合的其他电极的性质，可能会发生两种反应。作为负极时，会发生以下反应：

2 Hg(l) → 2 Hg+ + 2 e-

2 Hg+ + 2 Cl- → Hg2Cl2(s)

• 净氧化反应是生成氯化亚汞。
• 甘汞电极的优点：
• 与标准氢电极（SHE）相比，制作和维护相对简单
• 由固体糊状物和液态汞组成，使用方便

不需要单独的盐桥，因为它已包含一个装有氯化钾溶液的侧管

• 电位不会随时间和轻微的温度变化而发生明显变化
• 卡洛梅尔电极的缺点：
• 测量半电池电位时需要电位补偿

不能用于测量 K+ 和 Cl- 离子干扰的电位

氧化电位取决于 KCl 的浓度，因此浓度的变化会影响电极的电位。

银-氯化银电极因其价格低廉、毒性小于甘汞电极而被广泛用作参比电极。这种电极由固态银及其沉淀盐 AgCl 组成。其制作方法是在固态银丝上涂一层 AgCl，然后将其浸入一管 KCl 和 AgCl 溶液中。

氯化银电极

• 工作原理：氯化银电极允许离子形成和电子进出电极系统。当与另一个电极耦合时，它可以充当参比电极。
• 氯化银电极的优点：
• 价格低廉，供应广泛
• 与卡洛梅尔电极相比毒性较低
• 易于设置和复制
• 便于运输
• 结构紧凑，体积小，所需空间小

无需单独的盐桥，因为它已包含一个装有 KCl 溶液的侧管电位随时间和温度的轻微变化保持相对稳定参比电极

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