電場克服電極極化及其運用

李大順

在工業生產中，我們運用電解池獲得需要的高純度物質。一般來說，化學元素本來應該按照金屬活動性來制得。然而，由于電極極化導致電極電勢的存在，化學反應順序被破壞，理想工業產物的生產過程被打亂。電極極化之一就是濃差極化，與之對應的超電勢稱為濃差超電勢。它增加了原料的生產時間，降低了生產效率；甚至它會阻礙生產，讓我們得到無用的副產物，損傷了工廠的效益。本文意在運用極化的原理，并用一定大小的電場強度來減弱超電勢的影響，從本質上解決電極極化產生的問題，促進得到所需的產物，促進電解化工的發展。電解是一個非常重要的化工過程，許多珍貴的金屬都是靠它提純的。化工廠電解要用到電解池，由于電解池是一個大容器，其里面的電解液有很多，在實際電解反應中會導致電解液的不均勻分布，典型的反映就是濃差極化的產生。本文旨在找出合理的物理化學原理，通過實際生產中的操作得到一些經驗數據，并根據經驗加以推廣，得到一類適用的生產數據，這樣可以大大減短生產時間和控制反應產物，提高工廠的效益。

1原理電極極化

當電極處于無電流通過時，電極處于平衡狀態，與之對應的電極電勢是可逆電極電勢。隨著電極上電流密度的增加，電極不可逆程度越來越大，電極電勢偏離平衡電極電勢越來越遠，這種現象就叫做電極極化。某一電流密度下電極電勢與平衡電極電勢之差的絕對值稱為超電勢，一般用η表示。

1.1濃差極化

這里以活潑金屬的陽離子的陰極還原過程為例。

當電流流過電極時，陰極表面電解液中的金屬陽離子一部分沉積到陰極上，因而在靠近陰極的地方，金屬陽離子的濃度低于原電解液的本身濃度。這個時候，原溶液的金屬陽離子來不及補充，就會導致一個液面之間的電勢差，電極電勢就會小于其平均值。這種現象就叫做濃差極化，對應的超電勢叫濃差超電勢。

1.2極化的結果

綜合上述，陰極極化最終導致陰極的電極電勢越來越負；同理，陽極極化最終導致陽極的電極電勢越來越正。這就更加破壞了電解液中的平衡，使電解反應速率下降甚至不能有效反應。

1.3極化曲線

實驗證明，當電流密度變大時，正負電極電勢之差也會擴大。我們用極化曲線來描述電極電勢與電流密度的關系。電解池的極化曲線示意圖可在相關書籍中查到，它反映了電極電勢與電流密度的關系。

2 實驗改進原理——在外加電場下加快離子的流動

用外加電場作用于電解池，可以加快電荷的運動，促進反應速率。從而縮短化學反應時間，提高工廠效率。

2.1均勻外加電場

2.2點電荷形成的電場

在電解液的外面加入一點電荷后，設點電荷電量為Q，陽極距點電荷為S，陰陽兩極距離為L，點電荷與電極兩端的距離都為h/2，設電極上電荷與中間線的距離為x，

則由點電荷在陽極形成有效電勢為其中ε為電解液中的介電常量，其值約為8.85×10-12F/m，具體值還要根據實際操作情況決定，一般相差不大。

由綜上所述

（2）

即當點電荷滿足式（2）時，可使其產生的電場抵消電極超電勢的影響。

綜合上述原理，當電場滿足上述條件時，濃差極化對于電解液的影響就更加微弱了，若配合攪拌，濃差極化幾乎完全不用考慮。

根據本文的實驗原理，我們在實際化工生產過程中可以有效地結合實際操作，以求更快更好地得到生產所需的工業原料。由電解池外加電場的實驗可以得出電場在克服電極極化中的確有巨大的作用，而且提供了較為精確地電場控制條件，電場的大小對極化作用有影響，甚至影響產物的種類。

本實驗只是在理論情況下的操作中進行的，在實際操作中，溫度、電極表面性質、電解液中的雜質甚至實驗操作的不精確都會對實驗有所影響。然而，盡管有這些不可抗因素，這在理論上也是可行的，而且對于不是非常精密生產過程還是有很大的參考價值的。

本實驗的設計基礎在于大量而精確地實際生產數據，這需要真正投入化工生產的工業數據來確定，根據本設計理論，再配合實際數據，即可得到實際操作所需條件，大大縮短生產時間，提高工作效率。