انتقال جرم و نفوذ در الکتروشیمی
انتقال جرم چگونگی رسیدن واکنشدهندهها به الکترود و خروج محصولات از آن را کنترل میکند و اغلب جریان قابل تحمل توسط یک واکنش الکترودی را، صرفنظر از سینتیک ذاتی آن، محدود میسازد.
Definition
مجموعهای از فرآیندها—نفوذ در جهت گرادیان غلظت، مهاجرت یونها در میدان الکتریکی، و جریان همرفتی—که گونههای الکتروفعال را به الکترود میرسانند و محصولات را حذف میکنند، و اغلب حداکثر جریان قابل دستیابی را تعیین میکنند.
Scope
این موضوع سه حالت انتقال جرم در سیستمهای الکتروشیمیایی—نفوذ، مهاجرت، و همرفت—ترکیب آنها در معادله نرنست-پلانک، مفهوم لایه نفوذ، جریانهای محدود به نفوذ گذرا و حالت پایدار، و روشهای هیدرودینامیکی کنترلشده مانند الکترود دیسک چرخان را پوشش میدهد. همچنین توضیح میدهد که چه زمانی و چرا یک واکنش الکترودی محدود به انتقال میشود.
Core questions
- سه حالت حرکت گونهها به سمت و از الکترود کدامند؟
- چگونه یک لایه تخلیه (نفوذ) تشکیل میشود و جریان را در الکترود کنترل میکند؟
- چرا یک جریان فلات محدود به نفوذ در اضافه پتانسیلهای به اندازه کافی بزرگ ظاهر میشود؟
- چگونه روشهای همرفت کنترلشده مانند الکترود دیسک چرخان، انتقال قابل محاسبه و تکرارپذیری را فراهم میکنند؟
Key theories
- معادله شار نرنست-پلانک
- شار یک گونه حلشده را به عنوان مجموع نفوذ ناشی از گرادیانهای غلظت، مهاجرت ناشی از میدان الکتریکی، و همرفت ناشی از حرکت سیال توده بیان میکند، و قانون کلی انتقال را برای محلولهای الکترولیت فراهم میآورد.
- لایه نفوذ و جریان حدی
- در نزدیکی الکترود، یک لایه نازک از واکنشدهنده تخلیه میشود؛ هنگامی که غلظت آن در سطح به صفر میرسد، جریان در یک مقدار محدود به نفوذ اشباع میشود که متناسب با غلظت توده و نسبت معکوس با ضخامت لایه است.
Clinical relevance
کنترل انتقال جرم، حدود تشخیص و پاسخ را در حسگرهای زیستی آمپرومتری تعیین میکند، قابلیت نرخ و تلفات شارژ را در باتریها کنترل میکند، چگالی جریان را در آبکاری الکتریکی و استخراج الکتریکی محدود میکند، و زیربنای طراحی سلولهای جریان و الکترولایزرها است.
History
قوانین نفوذ فیک در سال ۱۸۵۵ و رویکرد نرنست-پلانک برای انتقال یونی، مبانی را فراهم آوردند؛ کار لویچ در اواسط قرن بیستم بر روی هیدرودینامیک فیزیکوشیمیایی، مسائل نفوذ-همرفتی مانند الکترود دیسک چرخان را حل کرد و انتقال را به صورت کمی قابل بررسی ساخت.
Key figures
- Veniamin Levich
- Adolf Fick
- John Newman
Related topics
Seminal works
- bard2001
- newman2004
- levich1962
Frequently asked questions
- چرا افزودن یک الکترولیت پشتیبان تحلیل انتقال جرم را ساده میکند؟
- غلظت بالای الکترولیت خنثی بیشتر جریان مهاجرت را حمل میکند و میدان را در الکترود پوشش میدهد، بنابراین گونه الکتروفعال اساساً تنها از طریق نفوذ حرکت میکند که مدلسازی آن بسیار آسانتر است.
- چه چیزی جریان محدود به نفوذ را تعیین میکند؟
- این جریان توسط سرعت نفوذ واکنشدهنده از طریق لایه تخلیه به سطح تعیین میشود، و با ضریب نفوذ و غلظت توده متناسب و با ضخامت لایه نفوذ نسبت معکوس دارد، مستقل از سینتیک ذاتی الکترود.