南大物化PPT08章可逆电池的电动势及其应用.ppt

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1、2023/6/28,物理化学电子教案第八章,2023/6/28,主要内容,可逆电池和可逆电极,第八章可逆电池的电动势及其应用,电动势的测定,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,电动势产生的机理,电极电势和电池的电动势,浓差电池和液体接界电势的计算公式,电动势测定的应用,2023/6/28,8.1可逆电池和可逆电极,电化学与热力学的联系,组成可逆电池的必要条件,可逆电极的类型,2023/6/28,电化学与热力学的联系,桥梁公式:,2023/6/28,组成可逆电池的必要条件,化学反应可逆能量变化可逆,2023/6/28,组成可逆电池的必要条件,净反应：,总反应：,2

2、023/6/28,可逆电极的类型,金属与其阳离子组成的电极氢电极氧电极卤素电极汞齐电极,金属-难溶盐及其阴离子组成的电极金属-氧化物电极,氧化-还原电极,第一类电极,第二类电极,第三类电极,2023/6/28,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-

4、),Cu+(a2)|PtCu2+(a1)+e-Cu+(a2),Sn4+(a1),Sn2+(a2)|PtSn4+(a1)+2e-Sn2+(a2),2023/6/28,8.2电动势的测定,对消法测电动势的原理,对消法测电动势的实验装置,标准电池,电动势与温度的关系,为什么标准电池有稳定的电势值,2023/6/28,对消法测定电动势的原理图,E=(R0+Ri)IU=R0I当R0时，有：R0+RiR0EU,2023/6/28,对消法测电动势的实验装置,2023/6/28,标准电池结构图,电池反应：(-)Cd(Hg)Cd2+Hg(l)+2e-(+)Hg2SO4(s)+2e-2Hg(l)+SO42-,净反

5、应：Hg2SO4(s)+Cd(Hg)(a)+8/3H2OCdSO48/3H2O(s)+Hg(l),2023/6/28,标准电池结构图,2023/6/28,问题,为什么在一定温度下，含Cd的质量百分数在514%之间，标准电池的电动势有定值？,答：从Hg-Cd的相图可知，在室温下，镉汞齐中镉含量在514%之间时，体系处于熔化物和固溶体两相平衡区，镉汞齐活度有定值。而标准电池电动势只与镉汞齐的活度有关，所以也有定值。,2023/6/28,问题,2023/6/28,标准电池电动势与温度的关系,ET/V=1.01845-4.0510-5(T/K-293.15)-9.510-7(T/K-293.15)2+

6、110-8(T/K-293.15)3,通常要把标准电池恒温、恒湿存放，使电动势稳定。,2023/6/28,8.3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,2023/6/28,可逆电池的书面表示法,1.左边为负极，起氧化作用；右边为正极，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。,2023/6/28,可逆电池

7、电动势的取号,DrGm=-zEF自发电池：DrGm0,例如：Zn(s)|Zn2+|Cu2+|Cu(s)Zn(s)+Cu2+Zn2+Cu(s)DrGm0,非自发电池：DrGm0，E0,Cu(s)|Cu2+|Zn2+|Zn(s)Zn2+Cu(s)Zn(s)+Cu2+DrGm0，E0,2023/6/28,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),2023/6/28,从化学反应设计电池(

8、2),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-,2023/6/28,8.4可逆电池的热力学,E与活度a的关系,E$求平衡常数K$,E,DrGm和K$与电池反应的关系,从E及其温度系数求DrHm和DrSm,2023/6/28,（1）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）2H

9、Cl(a)（2）,Pt,H2(p1)|HCl(0.1molkg-1)|Cl2(p2),Pt,2023/6/28,（1）E与a(活度)的关系,（1）,因为,2023/6/28,（1）E与a(活度)的关系,（2）,两种写法，结果相同。但要记住：,2023/6/28,（2）从求,与所处的状态不同，处于标准态，处于平衡态，只是将两者从数值上联系在一起。,2023/6/28,（3）E，和与电池反应的关系,例如：H2()+Cl2()2H+(a+)+2Cl-(a-)1/2H2()+1/2Cl2()H+(a+)+Cl-(a-),（3）E，和与电池反应的关系,2023/6/28,（4）从E和求DrH

10、m和DrSm,2023/6/28,8.5电动势产生的机理,界面电势差,外电位、表面电势和内电位,电极与溶液间的电位差,电动势的值,E值为什么可以测量,准确断路,2023/6/28,电动势产生的机理,界面电势差,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，相距约一、二个离子厚度称为紧密层；,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。,2023/6/28,电动势产生的机理,2023/6/28,电动势产生的机理,外电位,把单位正电荷在真空中

11、从无穷远处移到离表面 10-4cm处所作的电功，可以测量。,表面电势,从10-4cm将单位正电荷通过界面移到物相内部所作的功。无法测量。,内电位,无法测量。,物质相的内电位、外电位、表面电势,2023/6/28,电极与溶液间的电势差,=-=(+)-(+)=(-)可测量+(-)不可测量,2023/6/28,电动势的值,E=接触+-+扩散+,2023/6/28,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),2023/6

12、/28,正确断路,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：,2023/6/28,8.6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,2023/6/28,标准氢电极,规定,标准氢电极,用镀铂黑的金属铂导电,2023/6/28,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。,2023/6/28,电极电

13、势计算通式,这就是Nernst方程。,2023/6/28,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）,2023/6/28,二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。,2023/6/28,电池电动势的计算,净反应:,方法一:,2023/6/28,方法二,净反应:,化学反应等温式：,两种方法，结果相同,2023/6/28,8.7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

14、E与 Ec，Ej的关系,2023/6/28,（1）浓差电池(Concentration Cell),A.电极浓差电池,1.,2.,3.,2023/6/28,（1）浓差电池(Concentration Cell),B.电解质相同而活度不同,阳离子转移,阴离子转移,4.,5.,2023/6/28,（1）浓差电池(Concentration Cell),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,浓差电池的特点：,2023/6/28,（2）液体接界电势Ej或El,液接电势（Liquid Junction Potential）,1.液体界面间的电迁移（设

15、通过1mol电量）,整个变化的,2023/6/28,（2）液体接界电势Ej或El,对1-1价电解质，设：,2.液接电势的计算,测定液接电势，可计算离子迁移数。,2023/6/28,(3)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。,2023/6/28,(4)总电动势E与Ec，Ej的关系,2023/6/28,8.8电动势测定的应用,（2）判断氧化还原的方向

16、,（3）求离子迁移数,（1）求热力学函数的变化值,（4）测平均活度系数g,（5）测定未知的E$(Ox|Red)值,（6）求(不稳定)等,（7）测溶液的pH,（9）E(Ox|Red)-lga图,（8）E(Ox|Red)pH图、水的电势 pH图、铁的电势 pH图,2023/6/28,（1）求热力学函数的变化值,测定：,应用：(1)求,2023/6/28,（2）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。,应用：(2)判断氧化还原的方向,2023/6/28,（3）求离子迁移数,应用：(3)求一价离子的迁移数t+，t-,2023/6/28,（4）测离子平

17、均活度系数g,应用：(4)测离子平均活度系数g,和m已知，测定E，可求出g,2023/6/28,（5）测定未知的E$(Ox|Red)值,根据德拜-休克尔公式：,应用：(5)测定未知的(Ox|Red)值,2023/6/28,（5）测定未知的E$(Ox|Red)值,2023/6/28,（6）求(不稳定),应用：(6)求,A.求AgCl(s)的,设计电池，使电池反应为,2023/6/28,（6）求(不稳定),B.求水的,设计电池，使电池反应为：H2OH+OH-,电池:,2023/6/28,（6）求(不稳定),电池:,2023/6/28,（6）求(不稳定),电池:,2023/6/28,（7）测溶液的p

18、H,应用：(7)测溶液pH,A.醌氢醌电极,摩尔甘汞电极|醌氢醌|Pt,2023/6/28,（7）测溶液的pH,2023/6/28,（7）测溶液的pH,B.玻璃电极,pH定义：,2023/6/28,（8）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。,2023/6/28,（8）E(Ox|Red)-pH图

19、,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。,2023/6/28,氧电极的E(Ox|Red)-pH图,氧电极的电势-pH图,对于氢和氧发生氧化还原生成水的反应可以安排成一种燃料电池，电解质溶液的pH值可以在1-14的范围内变动，暂时以酸性溶液为例，温度都保持在298 K。,根据氧电极的电极反应和电极电势的能斯特方程看出，氧电极的还原电极电势与pH值的函数关系是一个直线方程，截距是前

21、,2023/6/28,氧电极的E(Ox|Red)-pH图,当氧气压力为103 Pa时，截距为1.199 V，用红线表示。,H2(pH2)|H2SO4(aq)|O2(pO2)氧电极：O2+4H+4e-2H2O,2023/6/28,氧电极的E(Ox|Red)-pH图,可见，氧气压力越高，氧电极的电势也越大。,通常将平行线之上称为氧稳定区，之下称为水稳定区。,2023/6/28,氢电极的电势-pH图,氢电极实际上起的是氧化反应，但电极电势仍用的是还原电势。,根据能斯特方程，氢电极的电极电势与pH的函数关系也是一个直线方程，第一项是截距，第二项中斜率也是-0.0592。,设定不同的氢气压力，可以得到截

22、距不同的一组平行线。,2023/6/28,氢电极的电势-pH图,当氢气压力为标准压力时，截距为0 V，用蓝线表示。,H2(pH2)|H2SO4(aq)|O2(pO2)氢电极：H2(pH2)2H+2e-,2023/6/28,氢电极的电势-pH图,2023/6/28,氢电极的电势-pH图,当氢气压力为107 Pa时，截距为-0.0592 V，用绿线表示。,H2(pH2)|H2SO4(aq)|O2(pO2)氢电极：H2(pH2)2H+2e-,2023/6/28,氢电极的电势-pH图,2023/6/28,氢电极的电势-pH图,当氢气压力为103 Pa时，截距为正的0.0592 V，用红线表示。,H2

23、(pH2)|H2SO4(aq)|O2(pO2)氢电极：H2(pH2)2H+2e-,2023/6/28,氢电极的电势-pH图,可见氢气压力越高，电极电势越小。,所以将平行线以下称为氢稳定区，以上称为水稳定区。,2023/6/28,H2O的电势-pH图,因两者的斜率相同，仅是截距不同，所以是一组平行线，平行线之间的距离就是该燃料电池的电动势，其值与pH无关。,将氧电极和氢电极的电势pH图画在同一张图上，就得到了H2O的电势-pH图。,显然，当H2和O2的压力都等于标准压力时，该燃料电池的电动势均为1.229V。,2023/6/28,H2O的电势-pH图,2023/6/28,H2O的电势-pH图,所

24、以总的反应是氧气还原生成水，氢气氧化成氢离子。显然，氧气和氢气压力越高，组成的电池电动势越大，反应趋势也越大。,从电势-pH图上还可以看出：氧电极的电势高，氢电极的电势低。只有氧电极做正极，氢电极做负极，这样组成的电池才是自发电池。,2023/6/28,铁的各种电势-pH图,从热力学求得 Ka=0.0362,Fe2O3(s)+6H+2Fe3+3H2O,lgKa=2lga(Fe3+)+6pH,lga(Fe3+)=-0.7203-3pH,该反应不是氧化还原反应，只与溶液的pH有关，所以在电势-pH图上是一组垂直于横坐标的垂线。如（A）垂线。,2023/6/28,铁的各种电势-pH图,随着三价铁离子

25、浓度的不同，pH值也会不同。设三价铁的活度为10-6，则pH=1.76。,pH值越小，三价铁的浓度越大，所以在(A)线的左侧是三价铁离子的稳定区，右侧是三氧化二铁的稳定区。,2023/6/28,铁的各种电势-pH图,Fe3+e-Fe2+,E(Fe3+,Fe2+)=E=0.771 V,E(Fe3+,Fe2+)=E-RT/Fln(a(Fe2+)/a(Fe3+),设a(Fe2+)=a(Fe3+),该反应是氧化还原反应，但与溶液的pH值无关，所以在电势-pH图上是一组平行于pH轴的水平线。如（B）线。,2023/6/28,铁的各种电势-pH图,当两种离子的活度相等，这时的电极电势就等于标准电极电势，为

26、0.771 V。,三价铁离子活度越大，电极电势越高，所以(B)线以上是三价铁离子稳定区，(B)线以下是二价铁离子的稳定区。,2023/6/28,铁的各种电势-pH图,Fe2+2e-Fe(s),E(Fe2+,Fe)=E-RT/2Fln(1/a(Fe2+),a(Fe2+)=10-6,E(Fe3+,Fe)=-0.617 V,该反应是氧化还原反应，与溶液的pH值无关，所以在电势-pH图上也是一组平行于 pH轴的水平线。如（C）线。,2023/6/28,铁的各种电势-pH图,设二价铁离子活度为10-6，这常作为铁被溶解的最低浓度，这时的电势值为-0.617 V。,二价铁离子浓度增大，电极电势也增大，所以

27、(C)线以上是二价铁的稳定区，以下是金属铁的稳定区。,2023/6/28,铁的各种电势-pH图,4.Fe2O3与Fe2+,Fe2O3+6H+2e-2Fe2+3H2O,E(Ox/Red)=E-RT/2Fln(a2(Fe2+)/a6(H+),a(Fe2+)=10-6,E(Ox,Red)=1.083V 0.177pH,该反应既是氧化还原反应，又与溶液的pH值有关，所以在电势-pH图上是一组斜线。斜线的截距是它的标准电极电势，为1.083 V。,2023/6/28,铁的各种电势-pH图,斜线的斜率随着铁离子浓度不同而不同。设二价铁离子的活度为10-6，则斜率为-0.117。显然，在不同pH条件下有不同

28、的电极电势值。,斜线左下方是二价铁离子稳定区，右上方是三氧化二铁的稳定区。,2023/6/28,铁的各种电势-pH图,5.铁防腐的电势-pH图,将铁与水的各种电势-pH图合在一起，对讨论铁的防腐有一定的指导意义。,（1）(c)线以下是铁的免腐蚀区。外加直流电源，将铁作为阴极，处在低电位区，这就是电化学的阴极保护法。,（2）铁与酸性介质接触，在无氧气的情况下被氧化成二价铁，所以置换反应只生成二价铁离子。当有氧气参与下，二价铁被氧化成三价铁，这样组成原电池的电动势大，铁被腐蚀的趋势亦大。,2023/6/28,铁的各种电势-pH图,(3)(A)(D)线以左区域是铁的腐蚀区，要远离这个区域。,常用油漆

29、、塑料或金属在铁的表面形成保护层，将铁与氧气、水、氢离子隔离；或用强氧化剂在铁的表面形成致密的氧化铁层，使铁钝化。,2023/6/28,铁的各种电势-pH图,(4)在(A)、(D)线以右，铁有可能被氧化成Fe2O3或Fe3O4，这样可保护里面的铁不被进一步氧化，称为铁的钝化区。如果在电位较低又是强碱性溶液中，则铁也有可能被腐蚀生成亚铁酸离子。,2023/6/28,铁的各种电势-pH图,6.实际的铁的电势-pH图,一般实用铁的电势-pH图的线条要多得多，标明不同离子浓度时的电势-pH曲线，使用起来也就更加方便。25时的Fe-H2O电势-pH图如右图所示。,2023/6/28,铁的各种电势-pH图

30、,2023/6/28,（9）测E(Ox|Red)-lga图,应用：(9)E(Ox|Red)-lga图,例1:,2023/6/28,（9）测E(Ox|Red)-lga图,反应CuCl2(a)Cu(s)+Cl2(p)是非自发的，电池为非自发电池，铜极电势低，为负极。,利用这类图，可计算不同离子活度时的电动势。,2023/6/28,例2:求AgCl(s)的Kap,（9）测E(Ox|Red)-lga图,对应电池为：,2023/6/28,（9）测E(Ox|Red)-lga图,在O点处，两个电极电势相等，电池达平衡，电动势E=0,2023/6/28,8.9生物电化学,电化学势,金属与溶液间的电势差,膜电势

31、,2023/6/28,（1）电化学势(Electrochemical Potential),将ze电荷从无穷远处移入实物相内，所作功可分为三部分：,1.从无穷远处移到距表面10-4 cm处，克服外电势作功。W1=ze,2.从10-4cm处移入体相内部，克服表面电势作功。W2=ze,3.克服体相内粒子之间的短程作用，即克服化学势作功。W3=,2023/6/28,（1）电化学势(Electrochemical Potential),对带电体系，用电化学势判断自动变化方向。,2023/6/28,金属与溶液间的电势差,例如：银电极Ag+|Ag(s)电极反应：Ag+e-Ag(s)达到平衡时双方电化学势相

32、等,水溶液在金属上,通过1 mol电量，e=F，z=1，电子带负电，所以用减号。,因为金属不带电，,所以，,2023/6/28,金属与溶液间的电势差,2023/6/28,（2）膜电势,在膜两边由于某离子浓度不等可产生电势差，这就是膜电势。,达渗透平衡时，在内外的电化学势相等。,2023/6/28,（2）膜电势,医学上，膜电势习惯用负值表示。维持了细胞膜内外的电势差，就维持了生命。,2023/6/28,NERNST,WALTHER NERNST(1864-1941),German physical chemist,did much of the early important work in

33、electrochemistry,studying the thermodynamics of galvanic cells and the diffusion of ions in solution.Besides his scientific researches,he developed the Nernst lamp,which used a ceramic body.This lamp never achieved commercial importance since the tungsten lamp was developed soon afterwards.,2023/6/28,NERNST,His electrical piano,which used radio amplifiers instead of a sounding board,was totally rejected by musicians.Nernst was the first to enunciate the third law of thermodynamics,and received the Nobel Prize in chemistry in 1920 for his thermochemical work.,