การถ่ายโอนมวลและการแพร่ในเคมีไฟฟ้า

การถ่ายโอนมวลควบคุมว่าสารตั้งต้นไปถึงอิเล็กโทรดได้อย่างไรและผลิตภัณฑ์ออกจากอิเล็กโทรดได้อย่างไร ซึ่งมักจะจำกัดกระแสที่ปฏิกิริยาอิเล็กโทรดสามารถคงอยู่ได้ โดยไม่คำนึงถึงจลนพลศาสตร์ภายในของมัน

Definition

ชุดของกระบวนการ—การแพร่ตามความชันของความเข้มข้น การเคลื่อนที่ของไอออนในสนามไฟฟ้า และการไหลแบบพาความร้อน—ที่นำสารที่ไวต่อปฏิกิริยาไฟฟ้าไปยังอิเล็กโทรดและกำจัดผลิตภัณฑ์ออกไป ซึ่งมักจะเป็นตัวกำหนดกระแสสูงสุดที่สามารถทำได้

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมโหมดการถ่ายโอนมวลสามโหมดในระบบเคมีไฟฟ้า ได้แก่ การแพร่ การเคลื่อนที่ของไอออน และการพาความร้อน—การรวมกันของโหมดเหล่านี้ในสมการ Nernst–Planck แนวคิดของชั้นการแพร่ กระแสจำกัดการแพร่แบบชั่วคราวและแบบคงที่ และวิธีการไฮโดรไดนามิกที่ควบคุมได้ เช่น อิเล็กโทรดจานหมุน (rotating disk electrode) โดยจะอธิบายว่าเมื่อใดและทำไมปฏิกิริยาอิเล็กโทรดจึงถูกจำกัดด้วยการถ่ายโอน

Core questions

• สารเคลื่อนที่ไปยังและออกจากอิเล็กโทรดด้วยโหมดใดบ้าง?
• ชั้นการพร่อง (การแพร่) ก่อตัวขึ้นและควบคุมกระแสที่อิเล็กโทรดได้อย่างไร?
• ทำไมกระแสที่จำกัดการแพร่จึงปรากฏขึ้นที่โอเวอร์โพเทนเชียลที่มากพอ?
• วิธีการพาความร้อนที่ควบคุมได้ เช่น อิเล็กโทรดจานหมุน ให้การขนส่งที่ทำซ้ำได้และคำนวณได้ได้อย่างไร?

Key theories

สมการฟลักซ์ Nernst–Planck

แสดงฟลักซ์ของสารที่ละลายในรูปของผลรวมของการแพร่ที่ขับเคลื่อนด้วยความชันของความเข้มข้น การเคลื่อนที่ของไอออนที่ขับเคลื่อนด้วยสนามไฟฟ้า และการพาความร้อนจากการเคลื่อนที่ของของไหลจำนวนมาก ซึ่งให้กฎการขนส่งทั่วไปสำหรับสารละลายอิเล็กโทรไลต์

ชั้นการแพร่และกระแสจำกัด

ใกล้กับอิเล็กโทรด ชั้นบางๆ จะถูกพร่องสารตั้งต้น; เมื่อความเข้มข้นของสารตั้งต้นลดลงเป็นศูนย์ที่พื้นผิว กระแสจะอิ่มตัวที่ค่าจำกัดการแพร่ ซึ่งเป็นสัดส่วนกับความเข้มข้นจำนวนมากและเป็นสัดส่วนผกผันกับความหนาของชั้น

Clinical relevance

การควบคุมการถ่ายโอนมวลกำหนดขีดจำกัดการตรวจจับและการตอบสนองในเซ็นเซอร์ชีวภาพแบบแอมแปร์เมตริก ควบคุมความสามารถด้านอัตราและการสูญเสียการชาร์จในแบตเตอรี่ จำกัดความหนาแน่นของกระแสในการชุบด้วยไฟฟ้าและการสกัดด้วยไฟฟ้า และเป็นพื้นฐานในการออกแบบเซลล์ไหลและเครื่องแยกด้วยไฟฟ้า

History

กฎการแพร่ของฟิกก์ในปี 1855 และการบำบัดการขนส่งไอออนของ Nernst–Planck ได้วางรากฐาน; งานของ Levich ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 เกี่ยวกับไฮโดรไดนามิกทางฟิสิกส์เคมีได้แก้ปัญหาการแพร่แบบพาความร้อน เช่น อิเล็กโทรดจานหมุน ทำให้การขนส่งสามารถคำนวณเชิงปริมาณได้

Key figures

• Veniamin Levich
• Adolf Fick
• John Newman

Seminal works

• bard2001
• newman2004
• levich1962

Frequently asked questions

ทำไมการเติมอิเล็กโทรไลต์สนับสนุนจึงทำให้การวิเคราะห์การถ่ายโอนมวลง่ายขึ้น?

ความเข้มข้นสูงของอิเล็กโทรไลต์เฉื่อยจะนำกระแสการเคลื่อนที่ส่วนใหญ่และป้องกันสนามที่อิเล็กโทรด ดังนั้นสารที่ไวต่อปฏิกิริยาไฟฟ้าจึงเคลื่อนที่โดยการแพร่เป็นหลัก ซึ่งง่ายต่อการสร้างแบบจำลองมากกว่ามาก

อะไรเป็นตัวกำหนดกระแสที่จำกัดการแพร่?

มันถูกกำหนดโดยความเร็วที่สารตั้งต้นสามารถแพร่ผ่านชั้นการพร่องไปยังพื้นผิว โดยปรับขนาดตามสัมประสิทธิ์การแพร่และความเข้มข้นจำนวนมาก และผกผันกับความหนาของชั้นการแพร่ โดยไม่ขึ้นกับจลนพลศาสตร์ภายในของอิเล็กโทรด