电场克服电极极化及其运用

李大顺

在工业生产中，我们运用电解池获得需要的高纯度物质。一般来说，化学元素本来应该按照金属活动性来制得。然而，由于电极极化导致电极电势的存在，化学反应顺序被破坏，理想工业产物的生产过程被打乱。电极极化之一就是浓差极化，与之对应的超电势称为浓差超电势。它增加了原料的生产时间，降低了生产效率；甚至它会阻碍生产，让我们得到无用的副产物，损伤了工厂的效益。本文意在运用极化的原理，并用一定大小的电场强度来减弱超电势的影响，从本质上解决电极极化产生的问题，促进得到所需的产物，促进电解化工的发展。电解是一个非常重要的化工过程，许多珍贵的金属都是靠它提纯的。化工厂电解要用到电解池，由于电解池是一个大容器，其里面的电解液有很多，在实际电解反应中会导致电解液的不均匀分布，典型的反映就是浓差极化的产生。本文旨在找出合理的物理化学原理，通过实际生产中的操作得到一些经验数据，并根据经验加以推广，得到一类适用的生产数据，这样可以大大减短生产时间和控制反应产物，提高工厂的效益。

1原理电极极化

当电极处于无电流通过时，电极处于平衡状态，与之对应的电极电势是可逆电极电势。随着电极上电流密度的增加，电极不可逆程度越来越大，电极电势偏离平衡电极电势越来越远，这种现象就叫做电极极化。某一电流密度下电极电势与平衡电极电势之差的绝对值称为超电势，一般用η表示。

1.1浓差极化

这里以活泼金属的阳离子的阴极还原过程为例。

当电流流过电极时，阴极表面电解液中的金属阳离子一部分沉积到阴极上，因而在靠近阴极的地方，金属阳离子的浓度低于原电解液的本身浓度。这个时候，原溶液的金属阳离子来不及补充，就会导致一个液面之间的电势差，电极电势就会小于其平均值。这种现象就叫做浓差极化，对应的超电势叫浓差超电势。

1.2极化的结果

综合上述，阴极极化最终导致阴极的电极电势越来越负；同理，阳极极化最终导致阳极的电极电势越来越正。这就更加破坏了电解液中的平衡，使电解反应速率下降甚至不能有效反应。

1.3极化曲线

实验证明，当电流密度变大时，正负电极电势之差也会扩大。我们用极化曲线来描述电极电势与电流密度的关系。电解池的极化曲线示意图可在相关书籍中查到，它反映了电极电势与电流密度的关系。

2 实验改进原理——在外加电场下加快离子的流动

用外加电场作用于电解池，可以加快电荷的运动，促进反应速率。从而缩短化学反应时间，提高工厂效率。

2.1均匀外加电场

2.2点电荷形成的电场

在电解液的外面加入一点电荷后，设点电荷电量为Q，阳极距点电荷为S，阴阳两极距离为L，点电荷与电极两端的距离都为h/2，设电极上电荷与中间线的距离为x，

则由点电荷在阳极形成有效电势为其中ε为电解液中的介电常量，其值约为8.85×10-12F/m，具体值还要根据实际操作情况决定，一般相差不大。

由综上所述

（2）

即当点电荷满足式（2）时，可使其产生的电场抵消电极超电势的影响。

综合上述原理，当电场满足上述条件时，浓差极化对于电解液的影响就更加微弱了，若配合搅拌，浓差极化几乎完全不用考虑。

根据本文的实验原理，我们在实际化工生产过程中可以有效地结合实际操作，以求更快更好地得到生产所需的工业原料。由电解池外加电场的实验可以得出电场在克服电极极化中的确有巨大的作用，而且提供了较为精确地电场控制条件，电场的大小对极化作用有影响，甚至影响产物的种类。

本实验只是在理论情况下的操作中进行的，在实际操作中，温度、电极表面性质、电解液中的杂质甚至实验操作的不精确都会对实验有所影响。然而，尽管有这些不可抗因素，这在理论上也是可行的，而且对于不是非常精密生产过程还是有很大的参考价值的。

本实验的设计基础在于大量而精确地实际生产数据，这需要真正投入化工生产的工业数据来确定，根据本设计理论，再配合实际数据，即可得到实际操作所需条件，大大缩短生产时间，提高工作效率。