物理化学07章电化学.ppt
2023/8/20,物理化学(PHYSICAL CHAMISTRY)第七章 电化学（Electrochemistry),2023/8/20,物理化学电子教案第七章 电化学,2023/8/20,电解质溶液原电池中的电化学过程电解池中的电化学过程,电解质溶液的导电性质,2023/8/20,主要内容,电化学的基本概念和法拉第定律,(一)电解质溶液,离子的电迁移和迁移数,电导,强电解质溶液理论简介,2023/8/20,1.1 电化学的基本概念,电化学研究对象,2023/8/20,电化学的用途,电解 精炼和冶炼有色金属和稀有金属；电解法制备化工原料；电镀法保护和美化金属；还有氧化着色等。,电分析 生物电化学,2023/8/20,两类导体,A.自由电子作定向移动而导电,B.导电过程中导体本身不发生变化,C.温度升高，电阻也升高,D.导电总量全部由电子承担,2023/8/20,A.正、负离子作反向移动而导电,B.导电过程中有化学反应（电极反应）发生,C.温度升高，电阻下降?,D.导电总量分别由正、负离子分担,*固体电解质，如 等，也属于离子导体，但它导电的机理比较复杂，导电能力不高。,两类导体,2023/8/20,正极、负极,2023/8/20,阴极、阳极,2023/8/20,离子迁移方向-反向迁移,阴离子迁向阳极,阳离子迁向阴极,2023/8/20,原电池(galvanic cell),2023/8/20,电解池(electrolytic cell),2023/8/20,1.2 法拉第定律,法拉第定律的文字表述,在电极界面上发生化学变化物质的量与通入的电量成正比。,通电于若干个电解池串联的线路中，当所取的基本粒子的荷电数相同时，在各个电极上发生反应的物质，其物质的量相同，析出物质的质量与其摩尔质量成正比。,2023/8/20,法拉第定律的数学表达式,取电子的得失数为 z，通入的电量为 Q，则电极上发生反应的物质的量 n 为：,电极上发生反应的物质的质量 m 为：,或,2023/8/20,法拉第常数,F=Le,法拉第常数在数值上等于1 mol元电荷的电量。已知每个元电荷电量为,=6.0221023 mol-11.602210-19 C,=96484.6 Cmol-1,96500 Cmol-1,2023/8/20,荷电粒子基本单元的选取,根据法拉第定律，通电于若干串联电解池中，每个电极上析出物质的物质的量相同，这时，所选取的基本粒子的荷电绝对值必须相同。例如：,2023/8/20,例题：通电于 溶液，电流强度，析出。已知。求：通入电量；通电时间；阳极上放出氧气的物质的量。,荷电粒子基本单元的选取,2023/8/20,解法一,取基本粒子为单位电荷：即,2023/8/20,解法二,t 同上,取基本粒子为3个基本电荷：即 Au，,2023/8/20,法拉第定律的意义,是电化学上最早的定量的基本定律，揭示了通入的电量与析出物质之间的定量关系。,该定律在任何温度、任何压力下均可以使用。,该定律的使用没有什么限制条件。,2023/8/20,1.3 离子的电迁移和迁移数,离子的电迁移现象,电迁移率和迁移数,离子迁移数的测定,2023/8/20,离子的电迁移现象,设想在两个惰性电极之间有想象的平面AA和BB，将溶液分为阳极部、中部及阴极部三个部分。假定未通电前，各部均含有阳、阴离子各5 mol，分别用+、-号代替。,2023/8/20,离子的电迁移现象,2023/8/20,设离子都是一价的，当通入4 mol电子的电量时，阳极上有4 mol阴离子氧化，阴极上有4 mol阳离子还原。,两惰性电极间阳、阴离子要共同承担4 mol电子电量的运输任务。,现在离子都是一价的，则离子运输电荷的数量只取决于离子迁移的速度。,离子的电迁移现象,2023/8/20,1设阳、阴离子迁移的速率相等，则导电任务各分担2 mol，在假想的AA、BB平面上各有2 mol阳、阴离子逆向通过。,当通电结束，阴、阳两极部溶液浓度相同，但比原溶液各少了2mol，而中部溶液浓度不变。,离子的电迁移现象,2023/8/20,离子的电迁移现象,2023/8/20,2设阳离子迁移速率是阴离子的三倍，则阳离子导3 mol电量，阴离子导1 mol电量。在假想的AA、BB平面上有3 mol阳离子和1 mol阴离子逆向通过。,通电结束，阳极部阳、阴离子各少了3 mol，阴极部只各少了1 mol，而中部溶液浓度仍保持不变。,离子的电迁移现象,2023/8/20,离子的电迁移现象,2023/8/20,思考题：若阳离子、阴离子均为荷二价的，且阳、阴两电极反应中的电子得失数均为2，其余条件相同。试考虑前面两种电迁移情况有何不同？,2023/8/20,离子电迁移的规律,1.向阴、阳两极迁移的阳、阴离子物质的量总和等于通入溶液的总电量数？,如果阳、阴离子荷电量不等，且电极本身也发生反应，情况就要复杂一些。,2023/8/20,离子的电迁移率,离子在电场中运动的速率用公式可表示为：,式中 为电位梯度，比例系数 和 分别称为阳、阴离子的电迁移率，又称为离子淌度（ionic mobility），即相当于单位电位梯度时离子迁移的速率。它的单位是。,电迁移率的数值与离子本性、电位梯度、溶剂性质、温度等因素有关，可以用界面移动法测量。,2023/8/20,离子迁移数的定义,把离子B所运载的电流与总电流之比称为离子B的迁移数（transference number）用符号 表示。,数值上总小于1。,由于阳、阴离子移动的速率不同，所带的电荷不等，因此它们在迁移时所分担电量的分数也不同。,其定义式为：,2023/8/20,迁移数在数值上还可表示为：？?,阴离子应有类似的表示式。如果溶液中只有一种电解质，则：,如果溶液中有多种电解质，共有 i 种离子，则：,离子迁移数的定义,2023/8/20,迁移数的测定方法,*(1)Hittorf 法,在Hittorf迁移管中装入已知浓度的电解质溶液，接通稳压直流电源，这时电极上有反应发生，阳、阴离子分别向阴、阳两极迁移。,小心放出阴极部（或阳极部）溶液，称重并进行化学分析，根据通入的电量和极区浓度的变化，就可计算离子的迁移数。,通电一段时间后，电极附近溶液浓度发生变化，中部基本不变。,2023/8/20,迁移数的测定方法,2023/8/20,Hittorf 法中必须采集的数据：,1.通入的电量，由库仑计中称重阴极质量的增加而得，例如，银库仑计中阴极上有0.0405 g Ag析出，,2.电解前含某离子的物质的量n起始。,3.电解后含某离子的物质的量n终了。,4.写出电极上发生的反应；判断某离子浓度是增加了、减少了还是没有发生变化。,5.判断离子迁移的方向。,迁移数的测定方法,2023/8/20,例题：在Hittorf 迁移管中，用Cu电极电解已知浓度的 CuSO4溶液。通电一定时间后，串联在电路中的银库仑计阴极上有 析出。阴极部溶液质量为，据分析知，在通电前其中含 通电后含。,试求 和 的离子迁移数。,迁移数的测定方法,2023/8/20,解法1：先求 的迁移数，以 为基本粒子，已知：,阴极上 还原，使 浓度下降,迁往阴极（导电），迁移使阴极部 增加，,迁移数的测定方法,2023/8/20,解法2 先求 的迁移数，以 为基本粒子。,阴极上 不发生反应，电解不会使阴极部 离子的浓度改变。电解时 迁向阳极，迁移使阴极部 减少。,迁移数的测定方法,2023/8/20,解法3：如果分析的是阳极部的溶液，基本计算都相同，只是离子浓度变化的计算式不同。,(2)阳极部先计算 迁移数，阳极部 不发生反应，迁入。,（1）阳极部先计算 的迁移数，阳极部Cu氧化成，另外 是迁出的，,迁移数的测定方法,2023/8/20,在电动势测定应用中，如果测得液接电势值，就可计算离子的迁移数。,由于HCl浓度不同所产生液接电势 的计算式为,已知 和，测定，就可得 和 的值。,(2)电动势法（见原电池部分）,2023/8/20,1.4 电导,电导、电导率、摩尔电导率,电导的测定,电导率、摩尔电导率与浓度的关系,离子独立移动定律,几个有用的关系式,电导测定的一些应用,2023/8/20,电导、电导率、摩尔电导率,电导（electric condutance）,电导 与导体的截面积成正比，与导体的长度成反比：,电导是电阻的倒数，单位为 或。,2023/8/20,电导率（electrolytic conductivity）,因为,电导率也就是电阻率的倒数：,电导、电导率、摩尔电导率,2023/8/20,摩尔电导率（molar conductivity）,在相距为单位距离的两个平行电导电极之间，放置含有1 mol电解质的溶液，这时溶液所具有的电导称为摩尔电导率，单位为。,是含有1 mol电解质的溶液的体积，单位为，是电解质溶液的浓度，单位为。,电导、电导率、摩尔电导率,2023/8/20,电导、电导率、摩尔电导率,2023/8/20,基本质点的选取,摩尔电导率必须对应于溶液中含有1 mol电解质，但对电解质基本质点的选取决定于研究需要。,例如，对 溶液，基本质点可选为 或，显然，在浓度相同时，含有1 mol 溶液的摩尔电导率是含有1 mol 溶液的2倍？。即：,为了防止混淆，必要时在 后面要注明所取的基本质点。,2023/8/20,电导的测定,电导池：,电导池电极通常用两个平行的铂片制成，为了防止极化，一般在铂片上镀上铂黑，增加电极面积，以降低电流密度。,2023/8/20,电导池常数（cell constant）,电导池常数 单位是。,因为两电极间距离l 和镀有铂黑的电极面积A无法用实验测量，通常用已知电导率的KCl溶液注入电导池，测定电阻后得到。然后用这个电导池测未知溶液的电导率。,2023/8/20,电导率与浓度的关系,强电解质溶液的电导率随着浓度的增加而升高。当浓度增加到一定程度后，解离度下降，离子运动速率降低，电导率也降低，如H2SO4 和KOH溶液。,弱电解质溶液电导率随浓度变化不显著，因浓度增加使其电离度下降，粒子数目变化不大，如醋酸。,中性盐由于受饱和溶解度的限制，浓度不能太高，如KCl。,2023/8/20,电导率与浓度的关系,2023/8/20,摩尔电导率与浓度的关系,由于溶液中导电物质的量已给定，都为1 mol，所以，当浓度降低时，粒子之间相互作用减弱，正、负离子迁移速率加快，溶液的摩尔电导率必定升高。但不同的电解质，摩尔电导率随浓度降低而升高的程度也大不相同。,2023/8/20,强电解质的Lm与c的关系,随着浓度下降，升高，通常当浓度降至 以下时，与 之间呈线性关系。德国科学家Kohlrausch总结的经验式为：,是与电解质性质有关的常数。,2023/8/20,强电解质的Lm与c的关系,将直线外推至，得到无限稀释摩尔电导率。,2023/8/20,随着浓度下降，也缓慢升高，但变化不大。当溶液很稀时，与 不呈线性关系，等稀到一定程度，迅速升高，见 的 与 的关系曲线。,弱电解质的 不能用外推法得到。,弱电解质的Lm与c的关系,2023/8/20,离子独立移动定律,德国科学家Kohlrausch 根据大量的实验数据，发现了一个规律：在无限稀释溶液中，每种离子独立移动，不受其它离子影响，则电解质的无限稀释摩尔电导率可认为是两种离子无限稀释摩尔电导率之和：,这样，弱电解质的 可以通过强电解质的 或直接从表值上查离子的 求得。,2023/8/20,*一些有用的关系式,对于强电解质，在浓度不太大时近似有,利用这些关系式，能从实验可测物理量求不可测物理量。,2023/8/20,*电导测定的一些应用,（1）检验水的纯度,事实上，水的电导率小于 就认为是很纯的了，有时称为“电导水”，若大于这个数值，那肯定含有某种杂质。,2023/8/20,(2)计算弱电解质的解离度和解离常数,设弱电解质AB解离如下：,以 作图，从截距和斜率求得 和 值。这就是德籍俄国物理化学家Ostwald提出的定律，称为Ostwald稀释定律。,*电导测定的一些应用,2023/8/20,（3）测定难溶盐饱和溶液的溶解度,运用摩尔电导率的公式就可以求得难溶盐饱和溶液的浓度。,2难溶盐本身的电导率很低，这时水的电导率就不能忽略，所以：,*电导测定的一些应用,1难溶盐饱和溶液的浓度极稀，可认为，的值可从离子的无限稀释摩尔电导率的表值得到。,2023/8/20,（4）电导滴定,在滴定过程中，离子浓度不断变化，电导率也不断变化，利用电导率变化的转折点，确定滴定终点。电导滴定的优点是不用指示剂，对有色溶液和沉淀反应都能得到较好的效果，并能自动纪录。,*电导测定的一些应用,2023/8/20,1.5 强电解质溶液理论简介,平均活度和平均活度系数,离子强度,电导理论,2023/8/20,当溶液很稀，可看作是理想溶液，则：,平均活度和平均活度系数,非电解质化学势表示式,2023/8/20,电解质化学势的表达式,强电解质溶解后全部变成离子。为简单起见，先考虑1-1价电解质，如HCl，,平均活度和平均活度系数,2023/8/20,对任意价型电解质,平均活度和平均活度系数,2023/8/20,定义,离子平均活度,离子平均活度系数,离子平均质量摩尔浓度,平均活度和平均活度系数,2023/8/20,对1-1价电解质,平均活度和平均活度系数,2023/8/20,离子强度,式中 是离子的真实浓度，若是弱电解质，应乘上电离度。的单位与 的单位相同。,从大量实验事实看出，影响离子平均活度系数的主要因素是离子的浓度和价数，而且价数的影响更显著。1921年，Lewis提出了离子强度（ionic strength）的概念。当浓度用质量摩尔浓度表示时，离子强度 等于：,Lewis,2023/8/20,德拜-休克尔极限定律,德拜-休克尔根据离子氛的概念，并引入若干假定，推导出强电解质稀溶液中离子活度系数 的计算公式，称为德拜-休克尔极限定律。,式中 是 i 离子的电荷，是离子强度，是与温度、溶剂有关的常数，水溶液的 值有表可查。,由于单个离子的活度系数无法用实验测定来加以验证，这个公式用处不大。,2023/8/20,德拜-休克尔极限定律的常用表示式：,这个公式只适用于强电解质的稀溶液、离子可以作为点电荷处理的体系。式中 为离子平均活度系数，从这个公式得到的 为理论计算值。用电动势法可以测定 的实验值，用来检验理论计算值的适用范围。,德拜-休克尔极限定律,2023/8/20,对于离子半径较大，不能作为点电荷处理的体系，德拜-休克尔极限定律公式修正为：,则,式中 为离子的平均有效直径，约为，是与温度、溶剂有关的常数，在298 K的水溶液中，,德拜-休克尔极限定律,2023/8/20,物理化学电子教案第七章,2023/8/20,主要内容,可逆电池和可逆电极,二 可逆电池的电动势及其应用,生物电化学,可逆电池的书写方法及电动势的取号,可逆电池的热力学,浓差电池和液体接界电势的计算公式,电动势测定的应用,2023/8/20,1 可逆电池和可逆电极,电化学与热力学的联系,标准电池,可逆电极的类型,组成可逆电池的必要条件,2023/8/20,电化学与热力学的联系,桥梁公式:,2023/8/20,组成可逆电池的必要条件,化学反应可逆 能量变化可逆,2023/8/20,净反应,总反应：,组成可逆电池的必要条件,2023/8/20,标准电池结构图,电极反应：(-)Cd(Hg)Cd2+Hg(l)+2e-(+)Hg2SO4(s)+2e-2Hg(l)+SO42-,总反应：Hg2SO4(s)+Cd(Hg)(a)+8/3H2OCdSO48/3H2O(s)+Hg(l),2023/8/20,标准电池结构图,2023/8/20,可逆电极的类型,2023/8/20,第一类电极及其反应,Na+(a+)|Na(Hg)(a)Na+(a+)+nHg+e-Na(Hg)n(a),Mz+(a+)|M(s)Mz+(a+)+ze-M(s),H+(a+)|H2(p),Pt2H+(a+)+2e-H2(p),OH-(a-)|H2(p),Pt 2H2O+2e-H2(p)+2OH-(a-),H+(a+)|O2(p),PtO2(p)+4H+(a+)+4e-2H2O,OH-(a-)|O2(p),Pt O2(p)+2H2O+4e-4OH-(a-),Cl-(a-)|Cl2(p),Pt Cl2(p)+2e-2Cl-(a-),2023/8/20,第二类电极及其反应,Cl-(a-)|AgCl(s)|Ag(s)AgCl(s)+e-Ag(s)+Cl-(a-),OH-(a-)|Ag2O|Ag(s)Ag2O(s)+H2O+2 e-2Ag(s)+2OH-(a-),H+(a+)|Ag2O(s)|Ag(s)Ag2O+2H+(a+)+2e-2Ag(s)+H2O,2023/8/20,第三类电极及其反应,Fe3+(a1),Fe2+(a2)|PtFe3+(a1)+e-Fe2+(a2),Cu2+(a1),Cu+(a2)|PtCu2+(a1)+e-Cu+(a2),Sn4+(a1),Sn2+(a2)|PtSn4+(a1)+2e-Sn2+(a2),2023/8/20,2 可逆电池的书写方法及电动势的取号,可逆电池的书面表示法,可逆电池电动势的取号,从化学反应式设计电池,2023/8/20,可逆电池的书面表示法,1.左边为负极（阳极），起氧化作用；右边为正极（阴极），起还原作用。,2.“|”表示相界面，有电势差存在。,3.“|”表示盐桥，使液接电势降到可以忽略不计。,4.“”表示半透膜。,5.要注明温度，不注明就是298.15 K；要注明物态，气体要注明压力；溶液要注明浓度。,6.气体电极和氧化还原电极要写出导电的惰性电极，通常是铂电极。,2023/8/20,可逆电池电动势的取号,DrGm=-zEF原电池：DrGm0,例如：Zn(s)|Zn2+|Cu2+|Cu(s)Zn(s)+Cu2+Zn2+Cu(s)DrGm0,电解池：DrGm0，E0,Cu(s)|Cu2+|Zn2+|Zn(s)Zn2+Cu(s)Zn(s)+Cu2+DrGm0，E0,2023/8/20,从化学反应设计电池(1),Zn(s)+H2SO4(aq)H2(p)+ZnSO4(aq),验证：(-)Zn(s)Zn2+2e-(+)2H+2e-H2(p),Zn(s)|ZnSO4|H2SO4|H2(p),Pt,净反应：Zn(s)+2H+Zn2+H2(p),2023/8/20,AgCl(s)Ag+Cl-,验证：(-)Ag(s)Ag+e-(+)AgCl(s)+e-Ag(s)+Cl-,Ag(s)|Ag+(aq)|HCl(aq)|AgCl(s)|Ag(s),净反应：AgCl(s)Ag+Cl-,从化学反应设计电池(2),AgCl(s)+Ag(s)Ag+Cl-+Ag(s),2023/8/20,*3 可逆电池的热力学,E与活度a的关系,从E求平衡常数K,E,rGm和K与电池反应的关系,从E及其温度系数求rHm和rSm,2023/8/20,E与a(活度)的关系,(-)H2(p1)2H+(aH+)+2e-(+)Cl2(p2)+2e-2Cl-(aCl-),净反应：H2(p1)+Cl2(p2)2H+(aH+)+2Cl-(aCl-)（1）2HCl(a)（2）,Pt,H2(p1)|HCl(0.1molkg-1)|Cl2(p2),Pt,2023/8/20,（1）,H2(p1)+Cl2(p2)2H+(aH+)+2Cl-(aCl-),2023/8/20,（2）,两种写法，结果相同。,H2(p1)+Cl2(p2)2HCl(a),2023/8/20,E与K所处的状态不同，E处于标准态，K处于平衡态，只是rGm 将两者从数值上联系在一起。,E求平衡常数K,2023/8/20,例如：H2()+Cl2()2H+(a+)+2Cl-(a-)1/2H2()+1/2Cl2()H+(a+)+Cl-(a-),E,rGm 和 K与电池反应的关系,2023/8/20,从E及其温度系数求rHm和rSm,2023/8/20,4 电极电势和电池电动势,标准氢电极,氢标还原电极电势,为何电极电势有正、负,二级标准电极甘汞电极,电池电动势的计算,电极电势计算通式,2023/8/20,标准氢电极,规定,标准氢电极,用镀铂黑的金属铂导电,2023/8/20,氢标还原电极电势E(Ox|Red),（-）（+）阳极，氧化 阴极，还原,以标准氢电极为阳极，待测电极为阴极，因为 为零，所测电动势即为待测电极的氢标还原电极电势。,2023/8/20,电极电势计算通式-能斯特方程,这就是Nernst方程。,2023/8/20,为何电极电势有正、有负？,E(Ox|Red)0,E(Ox|Red)0,标准氢电极|给定电极,E(Ox|Red)=0,E增大,（非自发电池）,（自发电池）,2023/8/20,二级标准电极甘汞电极,0.10.33371.00.2801饱和0.2412,氢电极使用不方便，用有确定电极电势的甘汞电极作二级标准电极。,2023/8/20,电池电动势的计算,净反应:,方法一:,2023/8/20,化学反应等温式,两种方法，结果相同,方法二,2023/8/20,5 电动势产生的机理,界面电势差,电动势的值,E值为什么可以测量,准确断路,2023/8/20,在金属与溶液的界面上，由于正、负离子静电吸引和热运动两种效应的结果，溶液中的反离子只有一部分紧密地排在固体表面附近，称为紧密层；,另一部分离子按一定的浓度梯度扩散到本体溶液中，称为扩散层。紧密层和扩散层构成了双电层。金属表面与溶液本体之间的电势差即为界面电势差。,界面电势差,2023/8/20,界面电势差,2023/8/20,-外电位,把单位正电荷在真空中从无穷远处移到离表面 10-4 cm处所作的电功，可以测量。,-表面电势,从10-4 cm将单位正电荷通过界面移到物相内部所作的功，无法测量。,物质相的外电位、表面电势,界面电势差,2023/8/20,电动势的值,E=接触+-+扩散+,2023/8/20,E值为什么可以测量？,E=接触+-+=CuZn+ZnSol+SolCu,+(Zn+Zn)-(Sol+Sol),=Cu-Cu,设：使用盐桥，扩散0,可以测量,=(Cu+Cu)-(Zn+Zn),+(Sol+Sol)-(Cu+Cu),2023/8/20,正确断路-对消法测电动势,测定电动势时必须正确断路，才能使电动势等于两个相同金属的外电位之差，可以测量。,当电池的两个终端相为同一物质时，称为正确断路。例如下述电池：,2023/8/20,6 浓差电池和液接电势,浓差电池,液体接界电势,对盐桥作用的说明,总电动势E与 Ec，Ej的关系,2023/8/20,浓差电池(Concentration Cell),A.电极浓差电池,1.,2.,3.,2023/8/20,B.电解质相同而活度不同,4.,5.,浓差电池(Concentration Cell),2023/8/20,电池净反应不是化学反应，仅仅是某物质从高压到低压或从高浓度向低浓度的迁移。,电池标准电动势 E=0,浓差电池的特点,浓差电池(Concentration Cell),2023/8/20,液体接界电势Ej,液接电势,1.液体界面间的电迁移（设通过1mol电量）,整个变化的,2023/8/20,对1-1价电解质，,2.液接电势的计算,测定液接电势，可计算离子迁移数。,液体接界电势Ej,2023/8/20,Pt|H2(p)|HCl(m)HCl(m)|H2(p)|Pt,2023/8/20,对盐桥作用的说明,盐桥只能降低液接电势，但不能完全消除，只有电池反串联才能完全消除Ej，但化学反应和电动势都会改变。,盐桥中离子的r+r-，t+t-，使Ej0。,常用饱和KCl盐桥，因为K+与Cl-的迁移数相近；当有Ag+时用KNO3或NH4NO3。,盐桥中盐的浓度要很高，常用饱和溶液。,2023/8/20,总电动势E与Ec，Ej的关系,2023/8/20,7 电动势测定的应用,2023/8/20,求热力学函数的变化值,测定：,应用：求,2023/8/20,判断氧化还原的方向,已知：,试判断下述反应向哪方进行？,排成电池：设活度均为1,正向进行,2023/8/20,求离子迁移数,(3)求一价离子的迁移数t+，t-,2023/8/20,测离子平均活度系数 r,和m已知，测定E，可求出g,2023/8/20,求(不稳定),A.求AgCl(s)的,设计电池，使电池反应为,2023/8/20,B.求水的,设计电池，使电池反应为：H2OH+OH-,电池:,求(不稳定),2023/8/20,电池:,求(不稳定),2023/8/20,测溶液的 pH,A.醌氢醌电极,2023/8/20,摩尔甘汞电极|醌氢醌|Pt,测溶液的 pH,2023/8/20,B.玻璃电极,pH定义：,测溶液的 pH,2023/8/20,E(Ox|Red)-pH图,在保持温度和离子浓度为定值的情况下，将电极电势与pH值的函数关系在图上用一系列曲线表示出来，这种图就称为电势-pH图。,什么叫电势-pH图？,电极电势的数值不但与溶液中离子的浓度有关，而且有的还与溶液的pH值有关。,通常用电极电势作纵坐标，pH值作横坐标，在同一温度下，指定一个浓度，就可以画出一条电势-pH曲线。,2023/8/20,应用于：1.离子分离，2.湿法冶金，3.金属防腐及解决水溶液中发生的一系列氧化还原反应及平衡问题。,电势-pH图的应用,从电势-pH图可以清楚地看出各组分生成的条件及稳定存在的范围。,因为它表示的是电极反应达平衡时的状态，所以电势-pH图也称为电化学平衡图。,E(Ox|Red)-pH图,2023/8/20,测E(Ox|Red)-lga图,例1:,2023/8/20,反应CuCl2(a)Cu(s)+Cl2(p)是非自发的，电池为非自发电池。,利用这类图，可计算不同离子活度时的电动势。,测E(Ox|Red)-lga图,2023/8/20,例2:求AgCl(s)的Ksp,对应电池为：,测E(Ox|Red)-lga图,2023/8/20,在O点处，两个电极电势相等，电池达平衡，电动势E=0,测E(Ox|Red)-lga图,2023/8/20,物理化学电子教案第七章,2023/8/20,三 电解与极化作用,*1 分解电压,*2 极化作用,*3 电解时电极上的反应,4 金属的电化学腐蚀与防腐,5 化学电源,2023/8/20,理论分解电压,理论分解电压使某电解质溶液能连续不断发生电解时所必须外加的最小电压，在数值上等于该电解池作为可逆电池时的可逆电动势。,1 分解电压,2023/8/20,分解电压的测定,使用Pt电极电解HCl，实验装置如图所示。,逐渐增加外加电压，由安培计G和伏特计V分别测定线路中的电流强度I 和电压E，画出I-E曲线。,2023/8/20,外加电压很小时，几乎无电流通过，阴、阳极上无H2和Cl2放出。,随着E的增大，电极表面产生少量氢气和氯气，但压力低于大气压，无法逸出。所产生的氢气和氯气构成了原电池，外加电压必须克服这反电动势，继续增加电压，I 有少许增加，如图中1-2段。,分解电压的测定,2023/8/20,当外压增至2-3段，氢气和氯气的压力等于大气压力，呈气泡逸出，反电动势达极大值 Eb,max。,再增加电压，使I 迅速增加。将直线外延至I=0处，得E(分解)值，这是使电解池不断工作所必需外加的最小电压，称为分解电压。,分解电压的测定,2023/8/20,实际分解电压,要使电解池顺利地进行连续反应，除了克服作为原电池时的可逆电动势外，还要克服由于极化在阴、阳极上产生的超电势 和，以及克服电池电阻所产生的电位降。这三者的加和就称为实际分解电压。,分解电压的数值会随着通入电流强度的增加而增加。,2023/8/20,2 极化作用,极化（polarization）,当电极上无电流通过时，电极处于平衡状态，这时的电极电势分别称为阳极平衡电势E(阳,平)和阴极平衡电势E(阴,平)。,在有电流通过时，随着电极上电流密度的增加，电极实际分解电势值对平衡值的偏离也愈来愈大，这种对平衡电势的偏离称为电极的极化。,2023/8/20,极化的类型,极化大致分为两类：浓差极化和电化学极化。,(1)浓差极化 在电解过程中，电极附近某离子浓度由于电极反应而发生变化，本体溶液中离子扩散的速度又赶不上弥补这个变化，就导致电极附近溶液的浓度与本体溶液间有一个浓度梯度，这种浓度差别引起的电极电势的改变称为浓差极化。,用搅拌和升温的方法可以减少浓差极化，但也可以利用滴汞电极上的浓差极化进行极谱分析。,2023/8/20,(2)电化学极化,电极反应总是分若干步进行，若其中一步反应速率较慢，需要较高的活化能，为了使电极反应顺利进行所额外施加的电压称为电化学超电势（亦称为活化超电势），这种极化现象称为电化学极化。,极化的类型,2023/8/20,超电势,在某一电流密度下，实际发生电解的电极电势E(不可逆)与平衡电极电势之间的差值称为超电势。,阳极上由于超电势使电极电势变大，阴极上由于超电势使电极电势变小。,2023/8/20,为了使超电势都是正值，把阴极超电势(阴)和阳极超电势(阳)分别定义为：,(阴)=E(阴,平)-E(阴,不可逆)(阳)=E(阳,不可逆)-E(阳,平),E(阳,不可逆)=E(阳,平)+(阳)E(阴,不可逆)=E(阴,平)-(阴),超电势,2023/8/20,极化曲线（polarization curve）,超电势或电极电势与电流密度之间的关系曲线称为极化曲线，极化曲线的形状和变化规律反映了电化学过程的动力学特征。,(1)电解池中两电极的极化曲线,随着电流密度的增大，两电极上的超电势也增大，阳极析出电势变大，阴极析出电势变小，使外加的电压增加，额外消耗了电能。,2023/8/20,极化曲线（polarization curve）,2023/8/20,(2)原电池中两电极的极化曲线,原电池中，负极是阳极，正极是阴极。随着电流密度的增加，阳极析出电势变大，阴极析出电势变小。由于极化，使原电池的作功能力下降。,但可以利用这种极化降低金属的电化学腐蚀速度。,极化曲线（polarization curve）,2023/8/20,极化曲线（polarization curve）,2023/8/20,氢超电势,电解质溶液通常用水作溶剂，在电解过程中，在阴极会与金属离子竞争还原。,利用氢在电极上的超电势，可以使比氢活泼的金属先在阴极析出，这在电镀工业上是很重要的。,例如，只有控制溶液的pH，利用氢气的析出有超电势，才使得镀Zn，Sn，Ni，Cr等工艺成为现实。,2023/8/20,氢气在几种电极上的超电势,金属在电极上析出时超电势很小，通常可忽略不计。而气体，特别是氢气和氧气，超电势值较大。,氢气在几种电极上的超电势如图所示。可见在石墨和汞等材料上，超电势很大，而在金属Pt，特别是镀了铂黑的铂电极上，超电势很小，所以标准氢电极中的铂电极要镀上铂黑。,2023/8/20,氢气在几种电极上的超电势,2023/8/20,Tafel 公式,早在1905年，Tafel 发现，对于一些常见的电极反应，超电势与电流密度之间在一定范围内存在如下的定量关系：,式中 j 是电流密度,是单位电流密度时的超电势值，与电极材料、表面状态、溶液组成和温度等因素有关，是超电势值的决定因素。在常温下一般等于。,2023/8/20,3 电解时电极上的反应,电解时阴极上发生还原反应。发生还原的物质通常有(1)金属离子，(2)氢离子（中性水溶液中）。,判断在阴极上首先析出何种物质，应把可能发生还原物质的电极电势计算出来，同时考虑它的超电势。电极电势最大的首先在阴极析出。,阴极上的反应,2023/8/20,电解时阳极上发生氧化反应。发生氧化的物质通常有：（1）阴离子，如 等，（2）阳极本身发生氧化。,判断在阳极上首先发生什么反应，应把可能发生氧化的物质的电极电势计算出来，同时要考虑它的超电势。电极电势最小的首先在阳极氧化。,阳极上的反应,2023/8/20,确定了阳极、阴极析出的物质后，将两者的析出电势相减，就得到了实际分解电压。因为电解池中阳极是正极，电极电势较高，所以用阳极析出电势减去阴极析出电势。,分解电压,2023/8/20,金属离子的分离,如果溶液中含有多个析出电势不同的金属离子，可以控制外加电压的大小，使金属离子分步析出而达到分离的目的。,为了使分离效果较好，后一种离子反应时，前一种离子的活度应减少到 以下，这样要求两种离子的析出电势相差一定的数值。,2023/8/20,电解的应用,阴极产品：电镀、金属提纯、保护、产品的美化（包括金属、塑料）和制备H2及有机物的还原产物等。,阳极产品：铝合金的氧化和着色、制备氧气、双氧水、氯气以及有机物的氧化产物等。,常见的电解制备有氯碱工业、由丙烯腈制乙二腈、用硝基苯制苯胺等。,2023/8/20,4 金属的电化学腐蚀和防腐,金属腐蚀分两类：,（1）化学腐蚀 金属表面与介质如气体或非电解质液体等因发生化学作用而引起的腐蚀，称为化学腐蚀。化学腐蚀作用进行时无电流产生。,（2）电化学腐蚀 金属表面与介质如潮湿空气或电解质溶液等，因形成微电池，金属作为阳极发生氧化而使金属发生腐蚀。这种由于电化学作用引起的腐蚀称为电化学腐蚀。,2023/8/20,铁腐蚀时阴极上的反应,(1)析氢腐蚀,酸性介质中 在阴极上还原成氢气析出。,设，则,铁阳极氧化，当 时认为已经发生腐蚀，,这时组成原电池的电动势为0.204 V,是自发电池。,2023/8/20,如果既有酸性介质，又有氧气存在，在阴极上发生消耗氧的还原反应：,这时与(-0.617V)阳极组成原电池的电动势为。显然耗氧腐蚀比析氢腐蚀严重得多。,（2）耗氧腐蚀,铁腐蚀时阴极上的反应,2023/8/20,金属的防腐,（1）非金属防腐 在金属表面涂上油漆、搪瓷、塑料、沥青等，将金属与腐蚀介质隔开。,（2）金属保护层 在需保护的金属表面用电镀或化学镀的方法镀上Au，Ag，Ni，Cr，Zn，Sn等金属，保护内层不被腐蚀。,2023/8/20,（3）电化学保护,1保护器保护 将被保护的金属如铁作阴极，较活泼的金属如Zn作牺牲性阳极。阳极腐蚀后定期更换。,2阴极保护 外加电源组成一个电解池，将被保护金属作阴极，废金属作阳极。,3阳极保护 用外电源，将被保护金属接阳极，在一定的介质和外电压作用下，使阳极钝化。,金属的防腐,2023/8/20,（4）加缓蚀剂 在可能组成原电池的体系中加缓蚀剂，改变介质的性质，降低腐蚀速度。,（5）制成耐蚀合金 在炼制金属时加入其它组分，提高耐蚀能力。如在炼钢时加入Mn，Cr等元素制成不锈钢。,金属的防腐,2023/8/20,5 化学电源,（1）燃料电池 又称为连续电池，一般以天然燃料或其它可燃物质如氢气、甲醇、天然气、煤气等作为负极的反应物质，以氧气作为正极反应物质组成燃料电池。,（2）二次电池 又称为蓄电池。这种电池放电后可以充电，使活性物质基本复原，可以重复、多次利用。如常见的铅蓄电池和其它可充电电池等。,（3）一次电池 电池中的反应物质进行一次电化学反应放电之后，就不能再次利用，如干电池。这种电池造成严重的材料浪费和环境污染。,
