如何控制电解槽内的反应？掌握电压、电流和电解质

从根本上说，控制电解反应就是管理能量的流动和反应物的可用性。通过仔细调整三个关键变量：施加的电压、电流和电解质溶液的化学成分，您可以精确地决定化学结果。

电解是利用电能迫使非自发化学反应发生的工艺。控制是通过理解电压决定发生什么反应，而电流决定反应发生多快来实现的。

电解控制的三大支柱

要掌握电解，您必须将其视为一个受不同但相互关联的因素控制的系统，而不是一个单一的过程。

施加电压是决定发生特定化学反应的最关键因素。在阳极（氧化）和阴极（还原）发生的每一种可能的反应都有一个理论上的最低发生电压，这被称为其标准电极电位。

通过仔细设置电解槽两端的电压，您可以提供足够的能量来启动所需的反应，同时阻止不需要的副反应开始所需的能量。

以安培为单位测量的电流代表电子在系统中的流动。根据法拉第电解定律，生成的产物量与通过电解槽的总电荷（电流乘以时间）成正比。

因此，一旦您用正确的电压选择了所需的反应，您就可以通过增加或减少电流来控制生产速率。电流越大，反应越快。

电解质是将被氧化和还原的离子的来源。其成分决定了哪些反应是可能的。

改变目标离子的浓度、调节pH值或添加或去除其他化学物质，可以从根本上改变电解槽的行为以及不同反应所需的电压。

您可以通过分析可能发生的半反应的标准电位来预测反应所需的最小能量。

标准电极电位（E°）表列出了各种还原半反应相对于标准参比的电压。这些值是预测电解行为的关键。

对于电解槽，您正在强制发生一个自身不会发生的反应（它具有负的总电池电位）。您必须施加一个外部电压，该电压至少等于该负电位的绝对值。

要找到理论上的最小电压，您需要确定您想要强制发生的氧化和还原半反应。您计算标准电池电位（E°电池 = E°阴极 - E°阳极）。对于非自发反应，这将是一个负数。

您必须施加的最小外部电压是这个负 E°电池的绝对值。例如，如果 E°电池是 -1.23 V，您必须施加至少 +1.23 V。

在实践中，实际所需的电压总是高于理论计算值。这种额外的电压被称为过电位，需要克服系统内的动力学障碍和电阻，例如在电极表面处的障碍和电阻。

实现精确控制需要应对变量相互冲突的几个现实世界的挑战。

在许多情况下，尤其是在水溶液中，您施加的电压可能高到足以触发多种反应。例如，水电解产生氢气和氧气可能与溶解盐的电解竞争，如果它们所需的电位接近的话。

虽然较高的电流会增加反应速率，但将其推得太高可能会适得其反。它可能会增加过电位的影响，有利于不太理想的副反应，并降低电流效率——即有助于所需产物的电子的百分比。

您的阳极和阴极的材料会显著影响反应。某些材料充当催化剂，降低特定反应的过电位，使其比其他反应更有利。在其他情况下，电极本身可能会被氧化，成为一个活跃的参与者而不是惰性表面。

您控制电解槽的策略完全取决于您期望的结果。

通过掌握这些原理，您可以将电解从粗暴的电力应用转变为精确且可预测的化学合成工具。