전하 전달 계수

전하 전달 계수(영어: Charge transfer coefficient)와 대칭 계수(영어: symmetry factor, 각각 기호 α와 β)는 전기화학 반응의 화학 반응속도론을 설명하는 데 사용되는 두 가지 관련 매개변수이다. 이들은 버틀러-폴머 방정식 및 관련 표현에 나타난다.

대칭 계수와 전하 전달 계수는 무차원량이다.^[1]

IUPAC 정의^[2]에 따르면, 단일 속도 결정 단계를 갖는 반응의 경우, 환원 반응에 대한 전하 전달 계수(환원 전달 계수, α_c)는 다음과 같이 정의된다.

${\displaystyle {\frac {\alpha _{\rm {c}}}{\nu }}=-{\frac {RT}{nF}}\left({\frac {\partial \ln |I_{\rm {red}}|}{\partial E}}\right)_{p,T,c_{i}^{\rm {interface}}}}$

산화 전달 계수(α_a)는 유사하게 정의된다.^[3]

${\displaystyle {\frac {\alpha _{\rm {a}}}{\nu }}={\frac {RT}{nF}}\left({\frac {\partial \ln |I_{\rm {ox}}|}{\partial E}}\right)_{p,T,c_{i}^{\rm {interface}}}}$

여기서:

• ${\displaystyle \nu }$: 화학량론적 수, 즉 전체 반응(n개의 전자를 포함하는)에서 형성되고 파괴되는 활성화 착물의 수
• ${\displaystyle R}$: 기체 상수
• ${\displaystyle T}$: 절대 온도
• ${\displaystyle n}$: 전극 반응에 관련된 전자의 수
• ${\displaystyle F}$: 패러데이 상수
• ${\displaystyle E}$: 전극 전위
• ${\displaystyle I}$: 부분 환원(산화) 전류^[4][5]

의의

전하 전달 계수는 전극-전해질 계면에서의 계면 전위 중 전기화학 반응의 자유 에너지 장벽을 낮추는 데 도움이 되는 부분을 나타낸다. 계면 영역에 존재하는 전기활성 이온은 계면 전위를 경험하며, 계면 전기장의 일부에 의해 이온에 정전기적 일이 가해진다. 전하 전달 계수는 이온을 자유 에너지 장벽의 최상단으로 활성화하는 데 활용되는 이 부분을 나타낸다.

전지와 연료전지

작동 중인 전지 및 연료전지에서 전하 전달 계수는 과전압 중 전류 밀도에 영향을 미치는 부분을 나타내는 매개변수이다. 이 매개변수는 지난 세기 3분기 이상 동안 전기화학 동역학에서 신비한 의미를 지녔다. 전하 전달 계수는 전극 동역학의 핵심이라고도 할 수 있다.

대칭 계수

대칭 계수(또는 장벽 대칭 계수)는 전달 계수와 유사한 계수이지만, 단일 단계 반응에만 적용된다.

산화 대칭 계수와 환원 대칭 계수의 합은 1과 같다.

${\displaystyle \beta _{\rm {c}}+\beta _{\rm {a}}=1}$