電気化学的分極

電気化学的分極：電極電位の変動とその原因

電気化学的分極とは、電極の電位が平衡状態（静止電位）から変化する現象、またはその変化を引き起こす操作を指します。簡単に言えば、電極に電流を流すことで電極電位が変化することです。外部回路に電流が流れることで電極反応が促進され、電極電位が変化します。多くの場合、単に「分極」と呼ばれます。電極反応が1種類だけの単純電極においては、過電圧とほぼ同義です。

分極の種類と方向

分極の方向によって、アノード分極とカソード分極に分類されます。

アノード分極: 電極電位が正の方向にずれる現象です。酸化反応（アノード反応）が促進されます。静止電位では酸化反応と還元反応が釣り合っていますが、アノード分極では酸化反応がより優勢になります。
カソード分極: 電極電位が負の方向にずれる現象です。還元反応（カソード反応）が促進されます。静止電位の状態から、カソード分極では還元反応がより優勢になります。

分極の原因

分極の原因は、大きく分けて以下の3種類があります。

1. 抵抗分極

抵抗分極は、電解質溶液や電極材料自身の電気抵抗によって生じる分極です。電流が流れる際に抵抗によって電位降下が生じ、電極電位が変化します。この大きさはオームの法則で表すことができます。

`Vohm = I × R = J × L / σ`

ここで:

`Vohm`: 抵抗[分極]
`I`: 電流(A)
`R`: 抵抗(Ω)
`J`: 電流密度(A/m²)
`L`: 電極間の距離(m)
`σ`: [電解質]]溶液の[[電気伝導率]

2. 活性化分極

活性化分極は、電極反応における活性化エネルギーの障壁に起因する分極です。電極反応が進行するためには、活性化エネルギーを克服する必要があります。電流密度が大きくなると、この活性化エネルギーの障壁の影響が大きくなり、電極電位が変化します。この大きさはターフェル式で表されます。

`Vact = a × log(J/J0)`

ここで:

`Vact`: 活性化[分極]
`a`: ターフェル勾配(V)
`J`: 電流密度(A/m²)
`J0`: 交換電流密度(A/m²)

3. 濃度分極（拡散分極）

濃度分極は、電極反応の進行に伴い、電極表面における反応物質の濃度が変化することによって生じる分極です。電極反応に必要な反応物質が電極表面まで十分に供給されない場合、電極反応の速度が低下し、電極電位が変化します。電流密度がある値（限界電流密度: Jlim）を超えると、反応物質が供給しきれなくなり、電極表面での濃度がゼロになります。この濃度分極は、ネルンストの式を変形することで表すことができます。

`Vconc = (RT/nF) × ln(J/Jlim)`

ここで:

`Vconc`: 濃度[分極]
`R`: 気体定数
`T`: 絶対温度
`n`: 電子の数
`F`: ファラデー定数
`J`: 電流密度(A/m²)
`Jlim`: 限界電流密度(A/m²)

これらの分極現象は、電気化学反応の効率や速度に大きな影響を与えます。電気化学デバイスの設計や制御において、これらの分極を理解することは非常に重要です。

関連項目

過電圧

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