双电层电容
双电层理论是建立在近百年来电化学、量子力学的基础上的,用来解释电容的产生和性质。通过对双电层概念的理解,我们可以发现双电层的特点:第一,电荷在双电层中的分布情况;第二,每层的厚度。本文将从以下两方面来讨论双电层的特点。
第一个问题是,如何理解“二元体系”中的“二元”?第二个问题是,为什么加热能够增大双电层的厚度?
“为什么加热会增大双电层的厚度呢?”可以说这是一个非常重要的问题,它不仅直接关系到理论本身的正确与否,而且还涉及到今后所要进行的许多研究工作,例如,实验物理和理论物理都要使用双电层理论。因此,很有必要对双电层结构和电容的影响因素进行详细的分析。根据“双电层理论”,我们可以知道,对于电解质溶液,只要加热,就会使浓度差变得更大,从而引起了正负离子在电极之间的扩散速度增大,同时造成电解质对自由电子的阻碍减小,因而,自由电子会迅速穿过电解质到达两个电极表面。这样就产生了一种新的现象——“空间电荷区”,其形状、大小取决于电解质的组成和温度。双电层结构分析表明,“空间电荷区”是一种非稳态结构,当它消失之后,又会重新形成。当电解质浓度较低时,形成的“
空间电荷区”往往比较窄,因为这个时候,扩散速率比较低,而随着浓度的增大,则会导致电荷在两电极上的堆积程度增大,因此,“空间电荷区”将逐渐扩大。
电解质溶液也可以改变双电层结构,这主要是因为电解质的离子半径和价数等性质,随着离子的迁移,它将会对双电层结构带来影响。所以,这里就存在着一个离子迁移能力的问题。溶液中所有的离子都具有相同的迁移能力。那些能够向阴极运动的离子,总是占优势。但是,从电荷迁移角度考虑,正离子的迁移速率会高于负离子,所以,负离子就会占优势,这样,电解质溶液也可以增大双电层的厚度。此外,阳离子也可以通过同样的机制对双电层结构带来影响,也就是说,只要电荷转移速度足够快,阴极表面附近也可以形成较大的“空间电荷区”。因此,我们可以看出,在很大程度上,双电层的形状和厚度是由电荷的转移速率和它们在电极之间的堆积密度共同决定的。