电化学原理及其应用
第4章电化学原理及应用
5课时
教学目标及基本要求
1. 明确原电池及相关的概念。了解电极的分类,了解电极电势的概念。
2. 能用能斯特方程式进行有关计算。能应用电极电势的数据判断氧化剂、还原剂的相对强弱及氧化还原反应自发进行的方向和程度。
3. 了解摩尔吉布斯自由能变与原电池电动势,标准摩尔吉布斯自由能变与氧化还原反应平衡常数的关系。
4. 了解电解、电镀、电抛光的基本原理,了解它们在工程上的应用。了解金属腐蚀及防护原理。
教学重点
1. 原电池符号的书写
2. 影响电极电势的因素
3. 电极电势与吉布斯的关系
4. 电极电势的应用
教学难点
1. 电极类型
2. 能斯特方程及相关计算
3. 应用电极电势判断氧化剂、还原剂的相对强弱
本章教学方式(手段)及教学过程中应注意的问题
本章采用多媒体结合板书的方式进行教学。
在教学过程中注意
1. 原电池的设计
2. 浓度、酸度对电极电势的影响
3. 电极电势的应用
主要教学内容
4.1 原电池(Electrochemical cell)
任何自发进行的氧化还原(oxidation-reduction) 反应,只要设计适当,都可以设计成原电池
用以产生电流。
4.1.1 原电池的结构与工作原理
Zn(s)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s)
负极Zn(s) → Zn2+(aq)+2e-(Oxidation)
正极Cu2+(aq)+2e-→ Cu(s) (Reduction)
总反应:Zn(s)+ Cu2+(aq) → Zn2+(aq)+ Cu(s)
原电池的符号(图式)(cell diagram) 表示: 如铜- 锌原电池, :
Zn ∣ZnSO4(c1) ┊┊CuSO4(c2) ∣Cu
规定:(1) 负极(anode) 在左边,正极(Cathode) 在右边,按实际顺序从左至右依次排列出各个相的组成及相态;
(2) 用单实竖线表示相界面, 用双虚竖线表示盐桥;
(3) 溶液注明浓度,气体注明分压;
(4) 若溶液中含有两种离子参加电极反应, 可用逗号隔开,并加上惰性电极.
4.1.2 电极类型
按氧化态、还原态物质的状态分类:
第一类电极:元素与含有这种元素离子的溶液一起构成的电极。
(1) 金属──金属离子电极:
Zn2+| Zn ;Cu2+| Cu ;Ni2+| Ni
(2) 气体——离子电极:
H+ |H2(g) | Pt 2H+ + 2e-=H2(g) Cl-| Cl2(g) | PtCl2(g) + 2e-=2Cl-
第二类电极:
(1) 金属──金属难溶盐电极:
甘汞电极:Cl-|Hg2Cl2(s)| Hg
Hg2Cl2(s) + 2e-=2 Hg (s) + 2 Cl-
银-氯化银电极:Cl-| AgCl(s) | Ag
AgCl(s) + e-=Ag (s) + Cl-
(2) 金属──难溶金属氧化物电极:
锑—氧化锑电极:H+ ,H2O(g) | Sb2O2(s) |Sb
Sb2O2(s) + 6 H+ + 6 e-=2Sb +3H2O(g)
第三类电极:
氧化还原电极:
MnO4-,Mn2+| Pt
2 MnO4-+ 16H+ + 10e-→ 2Mn2++8H2O
4.2 电极电势
4.2.1 双电层理论
原电池能够产生电流说明在电池的两个电极之间有电势差,构成原电池的两个电极各自具有不同的电势。
M(s) - Ze- --> M Z+(aq)
在金属表面与附近溶液间形成双电层,产生电势差。
每一个电极的电势称为电极电势。
4.2.2 电极电势的测量
电极电势是强度性质。同时不能测定电极电势的绝对值,只能用电位差计测出两电极电势的差值。
通常选择标准氢电极作为比较的标准,规定标准氢电极电势为零。
标准氢电极的组成如图
将镀有铂黑的铂片浸入c(H+)=1mol.dm-3的溶液中,通入压力为100kPa 的纯氢气流,使氢气冲打铂片并建立平衡:
2H+(aq)+2e-H2(g)
标准氢电极表示为:H+(1mol.dm-3) │ H2(100kPa) │ Pt
并规定,标准氢电极电势恒为零。记为;
=0V
测定其他电极的标准电极电势时,可将标准态的待测电极与标准氢电极组成原电池,测定原电池的电动势,即可确定电极的标准电极电势EΘ(电极)
EΘ= EΘ( 正)- EΘ( 负)
例Eθ(Cu2+/ Cu ) 的测量
Pt|H2(g, 105Pa)|H+(1mol.dm-3)|| Cu2+(1mol.dm-3)|Cu
测出Eθ=0.342V
Eθ=Eθ(Cu2+/ Cu ) -Eθ(H+/ H2)
Eθ(Cu2+/ Cu ) =Eθ+Eθ(H+/ H2)
=0.342V -0
=0.342V
( 电极电势的测定)
由于氢标准电极携带不便,常用饱和甘汞电极来代替。饱和甘汞电极由糊状的Hg2Cl2和KCl 饱和溶液组成。表示为Cl-( 饱和)| Hg2Cl2(s)|Hg
电极反应: Hg2Cl2 (s)+2e-2Hg+2Cl-
298.15K 时E{ Hg2Cl2 (s)/Hg }=0.2410V
附表11 列出了标准电极电势
4.2.3 电极电势的影响因素
(1)Nernst 方程式
非标准状态下的电极电势不仅与电极自身的组成有关,还与所处的条件有关( 温度,浓度, pH 值等).
电极反应通式:aO+ze-bR
热力学研究表明, 非标准态下的电极电势为:
E (electrode) = E (electrode) + (4.1)
R=8.315J.mol-1.K-1;
T-K;
z- 电极反应中电子的化学计量数;
F= 96485C .mol-1
简化式:
E( 电极)= E ( 电极)+ (4.2)
应用Nernst 方程式应注意:
1)浓度以化学计量数为指数
2)纯l 、s 物质的浓度不列入方程中:
例:Cu(s)+2Ag+(aq)=2Ag(s)+Cu2+(aq)
3)气体用相对分压,浓度用相对浓度
例:O2(g)+2H2O(l)+4e←→4OH-
4)有H+或OH-参与反应,应列入Nernst 方程中
MnO4-/Mn2+电对
MnO4- (aq)+8H+(aq)+5e←→Mn2+(aq)+4H2O(l)
5)E (O/R )的值与电极反应方程式书写无关
例,计算OH-浓度为0.100mol·dm-3时,氧的电极电势
[P(O2)=100Kpa T=298.15K]
解:O2(g)+2H2O(l)+4e←→4OH-(aq) =0.401V
=0.1mol·dm-3时
= 0.460V
电极反应写成:1/2 O2(g)+H2O(l)+2e=2OH-(aq)
从上可知,电极电势与反应式书写无关
(2)Nernst 方程式讨论:
? c(O) ——氧化态一侧各物质浓度的乘积
c(R ) ——还原态一侧各物质浓度的乘积
?固体、纯液体(H2O )不列入方程式中
?改变物质的浓度可以改变电极电势的大小
?电极物质自身浓度发生变化
?溶液的酸度发生变化
?生成沉淀使电极物质浓度发生变化
?生成配合物使电极物质浓度发生变化
例计算Cr2O72-/Cr3+电对在pH=1 和pH=6 是的电极电势。298.15K 时,设c(Cr2O72-)=c (Cr3+) 1mol·dm-3。
解:Cr2O72-+14H++6e-= 2Cr3++ 7H2O
E(Cr2O72-/Cr3+) = Eθ(Cr2O72-/Cr3+) + (0.0592V/6) lg
= 1.23V+(0.0592V/6) lg {c( H+) /cθ} 14
= 1.23V -0.138pH
当pH=1 时,E(Cr2O72-/Cr3+) =1.062V
当pH=6 时,E(Cr2O72-/Cr3+) =0.402V
可见:含氧酸及含氧酸盐的电极电势极大地受酸度的影响。
4.2.4 电动势电极电势E 与
的关系
在等温等压下,吉布斯自由能的减小
(- ) 等于原电池可做的最大功W max.
-
= W max =QE=z FE (4.3)
即: (4.4)
若过程处于标准状态,则
, (4.5)
4.2.5 电极电势的应用
(1)比较氧化剂和还原剂的相对强弱.
若Ox/Re 在标态下:
越小,Re 还原强越大,Ox 氧化性强
例:电对标准电极电势
/V 电极反应
Sn4+/Sn2++0.15 Sn4++2e←→Sn2+ Cu2+/ Cu +0.34 Cu2++2e←→Cu
Fe3+/Fe2++0.77 Fe3++e←→Fe2+
最大Fe3+是最强氧化剂
最小Sn2+是最强还原剂?判断反应发生的方向
任一反应判据:ΔG < 0 自发
而ΔG = - zFE ≤ 0 而z > 0 F > 0
反应自发性的判据为:
E > 0 自发即:E(正)> E(负)反应自发
例:pH=7.0 介质中判断下列反应进行的方向
2MnO4-(aq)+16H+(aq)+10Cl-(aq) = 2Mn2+(aq)+5Cl2(g)+8H2O(l)
解:已知:= +1.49V
= +1.358V
假设其反应正向进行,则Cl2/Cl-作负极,MnO4-/Mn2+为正极
MnO4-+8H+(aq)+5e = Mn2++4H2O(l)
故Cl2/Cl-应为正极;
所以,反应逆向进行
?氧化还原进行程度的判断
(4.6)
例:由标准钴电极与标准氯电极组成原电池测得其电动势为 1.64V. 此时钴电极为负极。已
知=1.36V 问(1)=? (2)反应方向 . (3)=? (4)当[Co2+]=0.01 mol·dm-3时E= ?
解:Co+Cl2==Co2++ 2Cl-
?
=1.36 – 1.6
如E (+)> E (-)则反应自发
而(正) =1.36V > (负)= – 0.28V
∴正向自发
(3)
(4)
=1.7V
4.3 化学电源
4.3.1 干电池
(1)锌锰干电池负极:锌片(锌皮)
正极:MnO2、石墨棒(碳棒)
电解质:NH4Cl 、ZnCl2、淀粉
电极反应负极:Zn - 2e-= Zn2+
正极:MnO2+ 2 NH4+ +2e-→ Mn2O3+ 2NH3+ H2O
总反应:Zn + MnO2+ 2 NH4+→ Zn2++ Mn2O3+ 2NH3+H2O
电池符号Zn │ ZnCl2、NH4Cl │ MnO2,C
碱性锌锰电池:Zn │ ZnCl2、KOH │ MnO2,C
电压:1.5v
(2)锌汞电池负极:Zn (汞齐)
正极:HgO 、碳粉
电解质:饱和ZnO 、KOH 糊状物
电极反应负极:Zn (汞齐) + 2 OH-→ ZnO + H2O + 2e-
正极:HgO + H2O +2e-→ Hg +2OH-
总反应:Zn (汞齐) + HgO → ZnO + Hg
电池符号:Zn (汞齐) │ KOH ( 糊状,含饱和ZnO) │ HgO (C)
电压:1.34v
4.3.2 蓄电池
铅蓄电池负极:Pb-Sb 格板中填充海绵状Pb
正极:Pb-Sb 格板的孔穴中填充PbO2
电解质:稀硫酸(30% 密度:1.2~ 1.3g .cm-3)
放电时的电极反应负极(Pb 极) :Pb + SO42- = PbSO4+ 2e-( 氧化) 正极(PbO2极):PbO2+ 4H++ SO42- + 2e-= PbSO4+ 2H2O (还原)
总反应:PbO2+ Pb + 2H2SO4= 2 PbSO4+ 2H2O
充电时的电极反应负极(Pb 极) :PbSO4+ 2e-= Pb + SO42-
正极(PbO2极):PbSO4+ 2H2O = PbO2+ 4H+ + SO42- + 2e-
总反应:2 PbSO4+ 2H2O = PbO2+ Pb + 2H2SO4
电动势:2.0v
4.3.3 新型燃料电池和高能电池
?燃料电池
还原剂(燃料):H2联氨(NH2-NH2)CH3OH CH4——负极
氧化剂:O2空气——正极
电极材料:多孔碳、多孔镍,Pt Pd Ag 等贵金属(催化剂)
电解质:碱性、酸性、固体电解质、高分子等
碱性氢—氧燃料电池
负极(燃料极)——多孔碳或多孔镍(吸附H2)
正极(空气极)——多孔性银或碳电极(吸附O2)
电解液——30%KOH 溶液,置于正负极之间。
电池符号:(C)Ni │ H2│ KOH (30%) │ O2│ Ag (C)
电池反应:负极2H2+ 4OH-= 4H2O + 4e-(氧化)
正极O2+ 2H2O + 4e-= 4OH-(还原)
总反应2H2+ O2= 2H2O
电动势:1.229v
(2) 高能电池——具有高“比能量”和高“比功率”的电池
比能量、比功率——按电池的单位质量或单位体积计算的电池所能提供的电能和功率。锂电池EΘ ( Li + /Li ) = -3.04v
Li—MnO2非水电解质电池:
负极——片状金属Li
正极——MnO2
电解质——LiClO4+混合有机溶剂(碳酸丙烯脂+ 二甲氧基乙烷)
隔膜——聚丙烯
电池符号:Li │ LiClO4│ MnO2│ C
电池反应:负极Li = Li++ e-
正极MnO2+ Li++ e-= LiMnO2
总反应Li + MnO2= LiMnO2
电池的电动势:2.69v
4.4 电解
4.1.1 电解现象
将直流电通过电解液使电极上发生氧化还原反应的过程叫电解。借助电流引起化学变化,将电能转变为化学能的装置,叫做电解池。电解池中与外界电源的负极相接的极叫做阴极,和外界电源正极相接的极叫做阳极,电子从电源负极流出,进入电解池的阴极,经电解质,由电解池的阳极流回电源的正极。在电解中正离子向阴极移动,负离子向阳极移动,阴极上发生还原反应,阳极上发生氧化反应。
电解池是把电能转变成化学能的装置。
非自发:Cu2+ +2Cl- =Cu(s)+Cl2 (q)
=197.0 kJ·mol-1 >>0
?分解电压
分解电压——使电解顺利进行所必需的最小外加电压。
产生分解电压的原因:
在电解过程进行时, 电极上产物与电解池溶液组成原电池, 其电动势与外加电源的电势方向相反, 这种电动势称为反电动势。
例如, 用Pt 作惰性导体电解0.1mol·dm-3 NaOH 溶液,阳极上析出O2 , 阴极上析出氢,O2和H2组成电池:
Pt ︱H2 (g) ︱NaOH(0.1mol·dm-3 ) ︱O2(g) ︱Pt
电池的电动势与工作电池的电动势E w正相反。
正极:2H2 O + O2 ((g) + 4e- = 4OH-
负极:2H2 = H++4e-
电池反应:2H2 (g) + O2(g) =2 H2 O
理论分解电压的计算
理论上,分解电压应等于电解池两极的反电动势,故称理论分解电压E 理分。
E(+)=E (O2 /OH- ) = Eθ(O2 /OH- ) +(0.0592V/4) lg(P(O2 )/ Pθ)/ {c( OH- )/cθ}4
= 0.401V+ (0.0592V/4) lg(1 / 0.1 )4
=0.46V
E(-)=E (H+/ H2 ) = Eθ(H+/ H2 ) +(0.0592V/4) lg{c(H+)/cθ} 4 /{( P(O2 )/ Pθ)} 2
= 0+ (0.0592V/4) lg(10 -13 )4 = -0 .77V
E理分=E(+) -E(-) =0.46V-(-0.77V)=1.23V
?超电势
某一电流密度下的电极电势与平衡电势之差的绝对值称该电极的超电势,有时也叫超电压,符号η。
阳极超电势η (阳)=E(阳) ﹣E(阳,平)
阴极超电势η( 阴)=E(阴,平) ﹣E(阴)
根据产生超电势的原因不同,超电势又分浓差超电势,化学超电势,电阻超电势等等。
浓差极化
发生电极反应时,电极表面附近溶液浓度与主体溶液浓度不同所产生的现象称为极化。
可通过增大电极面积,减小电流密度,提高溶液温度,加速搅拌来减小浓差极化。
电化学极化
主要由电极反应动力学因素决定。由于分步进行的反应速度由最慢的反应所决定,即克服活化能要求外加电压比可逆电动势更大反应才能发生。
4.4.2 电镀
电镀是应用电解的原理将一种金属镀到另一种金属表面的过程。
电镀
阴极——被镀件(铜棒)
阳极——镀层金属(Zn片)
电解液——含有欲镀金属的盐溶液。(一般不选用简单离子的盐溶液,会使镀层粗糙、厚薄不匀。)
以镀锌为例,电镀液为:ZnO +NaOH +添加剂
ZnO +NaOH +H2O=Na2 [Zn(OH)4 ]
[Zn(OH)4]2-= Zn2++4OH-
配离子的形成,降低了Zn2+的浓度,使金属锌在镀件上析出的过程中有了一个适宜的速率,可得到紧密光滑的镀层。两极的主要反应为:
阴极:Zn2++2e = Zn
阳极:Zn -2e = Zn2+
4.4.3 电抛光及电解加工
?电抛光:
电抛光是金属表面精加工的方法之一。
原理:在电解过程中,利用金属表面上凸出部分的溶解速率大于金属表面凹入部分的溶解速率,从而使金属表面平滑光亮。
电抛光
阴极——铅板
阳极——欲抛光工件(钢铁)
电解液:磷酸+硫酸+铬酐(CrO3)
电抛光时铁因氧化而发生溶解
阳极:Fe -2e = Fe2+
产生的Fe2+与溶液中的Cr2O72-发生氧化- 还原反应:
6Fe2++Cr2O72-+14H+ = 6Fe3++2Cr3++7H2 O
Fe3+又进一步与溶液中的HPO42-、SO42-形成Fe2 (HPO4)3和Fe2 (SO4)3,由于阳极附近盐浓度不断增加,在金属表面形成一种粘性薄膜,且分布不均匀。凸起部分薄膜较薄,凹入部分薄膜较厚,因而阳极表面各处的电阻有所不同,凸起部分电阻较小,电流密度较大;这
样就使凸起部分比凹入部分溶解得快,于是粗糙的平面逐渐得以平整。
阴极主要反应:Cr2O72-+14H++6e- = 2Cr3++7H2 O
2H+ +2e- = H2
(2 )电解加工:利用电解方法,使作为阳极的金属材料在电解过程中部分区域适当溶解,让其几何形状满足预定的要求。特点两极间距较小。
电化学课件动画(电解加工)
4.4.4 阳极氧化
阳极氧化过程的应用:
装饰、修饰、防腐
阳极氧化膜的特点:
厚度均匀、结合牢
阳极:
2Al + 6OH- =Al2O3 + H2O + 6e-
4OH- = 2H2 O + O2 (g) + 4e-
阴极:
2H++2e- = H2
4.5 金属腐蚀与防护
4.5.1 化学腐蚀与电化学腐蚀
?化学腐蚀
由金属与介质直接起化学反应而造成的腐蚀称为化学腐蚀。
影响化学腐蚀的因素有:温度、压力等。
?电化学腐蚀
由于电化学作用而引起的腐蚀称为电化学腐蚀。
1) 析氢腐蚀
析氢——在酸性介质中,腐蚀过程中有H2析出。
以钢铁的析氢腐蚀为例:
电化学反应为:阳极(Fe):Fe -2e = Fe2+
Fe2+ + OH- = Fe(OH)2
阴极(杂质):2H+ +2e- = H2
总反应:Fe +2H2O = Fe(OH)2+H2
电化学课件动画(析氢腐蚀)
2) 吸氧腐蚀
吸氧——在中性及弱酸性介质中,由于溶解氧的作用而引起的腐蚀。
电化学反应为:阳极(Fe):2Fe -4e = 2Fe2+
阴极(杂质):O2(g)+2H2O(l)+4e = 4OH- (aq)
总反应:2Fe+ O2(g)+2H2O = 2Fe(OH)2
例:在铁钉中部紧绕铜丝,放在含有K3[Fe(CN)6]和酚酞的胨胶中,形成腐蚀电池。其中铜丝为阴极,其电极反应为O2(g)+2H2O(l)+4e = 4OH- (aq) (吸氧),故铜丝附近显红色;铁钉为阳极,其电极反应为Fe-2e = Fe2+,铁钉附近显兰绿色,这是由于生成了Fe3[Fe(CN)6]2。
电化学课件动画(吸氧腐蚀)
3) 氧浓差腐蚀
由于在不同部位O2浓度差而引起的腐蚀。
当金属插入水或泥沙中时,由于与含O2量不同的液体接触,各部分电极的E(电极)不一样,O2电极的E(电极)与O2的分压有关。
由电极反应方程式:O2(g)+2H2O(l)+4e = 4OH- (aq)
在溶液中,O2浓度小的地方,E(O2/OH-)小,成为阳极,金属发生氧化而溶解腐蚀;O2浓度大的地方,E(O2/OH-)大,成为阴极,却不会被腐蚀;
图片
4) 生物腐蚀
由于细菌及藻类、贝壳等生物体的活动和新陈代谢而引起的对金属的腐蚀破坏。
与土壤、天然水、海水、石油产品等接触的金属容易发生。
由于生物体摄取食物而加速金属的腐蚀。
生物体的新陈代谢加速金属的腐蚀。
由于生物体耗氧而引起差异充气腐蚀
4.5.2 金属腐蚀的防护
选择恰当的金属材料:
覆盖保护层法:在金属表面覆盖一层保护层,以断绝金属与外界物质接触,达到耐腐蚀的效果。(油脂、油漆、搪瓷、塑料、电镀金属、氧化成致密的氧化膜)
阴极保护法:
牺牲阳极方法
外加阴极电流
缓蚀剂:无机缓蚀剂——中性,碱性介质(重铬酸盐)
有机缓蚀剂——酸性介质中(乌洛托品)
作业:P109-111 1, (3),4, 7, 9, 11
电化学原理及其应用(习题及答案)
第六章电化学原理及其应用 一、选择题 1.下列电极反应中,溶液中的pH值升高,其氧化态的氧化性减小的是(C) A. Br2+2e = 2Br- B. Cl2+2e=2Cl— C. MnO4—+5e+8H+=2Mn2++4H2O D. Zn2++2e=Zn 2.已知H2O2在酸性介质中的电势图为O2 0.67V H2O2 1.77V H2O,在碱性介质中的电势图为O2-0.08V H2O2 0.87V H2O,说明H2O2的歧化反应(C) A.只在酸性介质中发生 B.只在碱性介质中发生 C.无论在酸、碱性介质中都发生D.与反应方程式的书写有关 3.与下列原电池电动势无关的因素是Zn |Zn2+‖H+,H2 | Pt (B) A. Zn2+的浓度 B. Zn电极板的面积 C.H+的浓度 D.温度 4.298K时,已知Eθ(Fe3+/Fe)=0.771V,Eθ(Sn4+/Sn2+)=0.150V,则反应2Fe2++Sn4+=2Fe3++Sn2+的△r G mθ为(D)kJ/mol。 A. -268.7 B. -177.8 C. -119.9 D. 119.9 5.判断在酸性溶液中下列等浓度的离子哪些能共存(D) A Sn2+和Hg2+ B. SO32—和MnO4— C. Sn4+和Fe D. Fe2+和Sn4+ 已知Eθ(Hg2+/Hg)=0.851V,Eθ(Sn4+/Sn2+)=0.15V ,Eθ(MnO4—/Mn2+)=1.49V Eθ(SO42—/H2SO3)=1.29V ,Eθ(Fe2+/Fe)= —0.44V 6.已知下列反应在标准状态下逆向自发进行 Sn4++Cu = Sn2++Cu2+ Eθ(Cu2+/Cu)=(1) , Eθ(Sn4+/Sn2+)=(2) 则有(C) A. (1) = (2) B. (1)<(2) C. (1)>(2) D. 都不对 二、填空题 1.将下列方程式配平 3PbO2 + 2 Cr3+ + ____H2O___ =1Cr2O72—+ 3Pb2+ + __2H+___ (酸性介质) 2MnO2 + 3 H2O2 +__2OH-___ =2MnO4—+ ___4H2O______ (碱性介质)2.现有三种氧化剂Cr2O72—,H2O2,Fe3+,若要使Cl—、Br—、I—混合溶液中的I—氧化为I2,而Br-和Cl-都不发生变化,选用Fe3+最合适。(EθCl2/Cl-=1.36V, EθBr2/Br-=1.065V, EθI2/I-=0.535V) 3.把氧化还原反应Fe2++Ag+=Fe3++Ag设计为原电池,则正极反应为Ag++ e = Ag,负极反应为Fe3++e= Fe2+ ,原电池符号为Pt︱Fe3+(c1),Fe2+(c2)‖Ag+(c3)︱Ag。 4.在Mn++n e=M(s)电极反应中,当加入Mn+的沉淀剂时,可使其电极电势值降低,如增加M的量,则电极电势不变 5.已知EθAg+/Ag=0.800V, K sp=1.6×10—10则Eθ(AgCl/Ag)= 0.222V。 6.已知电极反应Cu2++2e=Cu的Eo为0.347V,则电极反应2Cu - 4e =2Cu2+的Eθ值为0.347V 。7.用氧化数法配平下列氧化还原反应。 (1)K2Cr2O7+H2S+H2SO4K2SO4+Cr2(SO4)3+S+H2O K2Cr2O7+3H2S+4H2SO4 =K2SO4+Cr2(SO4)3+3S+7H2O
电化学原理与方法课程中下半学期课程复习题 (1)剖析
1请你简要论述一下,电化学研究方法中,暂态测量技术有哪些?以及暂态研究技术的应用有哪些? 暂态测量技术有哪些? 暂态测量方法的种类 ①按极化或控制的幅度分( 幅度:电极极化的幅度,界面电位变化量) a. 大幅度暂态测量(研究电极过程) |Δφ|>10 mV ( 大幅度) b. 小幅度暂态测量(用于测定参数Rr、RL、C d) |Δφ|<10 mV(小幅度) ②按控制方式分: a. 控制电流法暂态测量 b. 控制电位法暂态测量 控电流法:单电流阶跃;断电流;方波电流;双脉冲电流 控电位法:阶跃法、方波电位法等;线性扫描(单程线性扫描,连续三角波扫描);脉冲电位(阶梯伏安,常规脉冲,差分脉冲,方波伏安) [从电极极化开始到各个子过程(电化学反应过程、双电层充电过程、传质过程和离子导电过程)做出响应并进入稳态过程所经历的不稳定的,变化的“过渡阶段”,称为暂态.] [电化学暂态测试技术也称为电化学微扰测试技术,即用指定的小幅度电流或电压讯号加到研究电极上,使电极体系发生微弱的扰动,同时测量电极参数的响应来研究电极反应参数] 暂态研究技术的应用? 暂态技术提供了比稳态技术更多的信息,用来研究电极过程动力学,测定电极反应动力学参数和确定电极反应机理,而且还可将测量迁越反应速率常数的上限提高2~3个数量级,有可能研究大量快速的电化学反应。暂态技术对于研究中间态和吸附态存在的电极反应也特别有利。暂态技术中测得的一些参量,例如双电层电容、欧姆电阻、由迁越反应速率常数决定的迁越电阻等,在化学电源、电镀、腐蚀等领域也有指导意义。 2.请你谈谈电化学测量中要获得电化学信号需要哪些电极以及设备,它们分别的作用是什么? 一、需要①参比电极:参比电极的性能直接影响着电极电势的测量或控制的稳定性。 ②盐桥:当被测电极体系的溶液与参比电极的溶液不同时,常用盐桥把研究电极和参比电极连接起来。盐桥的作用主要有两个,一个是减小接界电势,二是减少研究、参比溶液之间的相互污染。
电化学原理
第一章 绪论 两类导体: 第一类导体:凡是依靠物体内部自由电子的定向运动而导电的物体,即载流子为自由电子(或空穴)的导体,叫做电子导体,也称第一类导体。 第二类导体:凡是依靠物体内的离子运动而导电的导体叫做离子导体,也称第二类导体。 三个电化学体系: 原电池:由外电源提供电能,使电流通过电极,在电极上发生电极反应的装置。 电解池:将电能转化为化学能的电化学体系叫电解电池或电解池。 腐蚀电池:只能导致金属材料破坏而不能对外界做有用功的短路原电池。 阳极:发生氧化反应的电极 原电池(-)电解池(+) 阴极:发生还原反应的电极 原电池(+)电解池(-) 电解质分类: 定义:溶于溶剂或熔化时形成离子,从而具有导电能力的物质 分类: ? 弱电解质与强电解质—根据电离程度 ? 缔合式与非缔合式—根据离子在溶液中存在的形态 ? 可能电解质与真实电解质—根据键合类型 水化数:水化膜中包含的水分子数。 水化膜:离子与水分子相互作用改变了定向取向的水分子性质,受这种相互作用的水分子层称为水化膜。可分为原水化膜与二级水化膜。 活度与活度系数: 活度:即“有效浓度”. 活度系数:活度与浓度的比值,反映了粒子间相互作用所引起的真实溶液与理想溶液的偏差。 规定:活度等于1的状态为标准态。对于固态、液态物质和溶剂,这一标准态就是它们的纯物质状态,即规定纯物质的活度等于1。 离子强度I : 离子强度定律:在稀溶液范围内,电解质活度与离子强度之间的关系为: 注:上式当溶液浓度小于0.01mol ·dm -3 时才有效。 电导∶量度导体导电能力大小的物理量,其值为电阻的倒数。 符号为G ,单位为S ( 1S =1/Ω)。 i i i x αγ=∑= 2 2 1i i z m I I A ?-=±γlog L A G κ=
电化学原理知识点
电化学原理 第一章 绪论 两类导体: 第一类导体:凡是依靠物体内部自由电子的定向运动而导电的物体,即载流子为自由电子(或空穴)的导体,叫做电子导体,也称第一类导体。 第二类导体:凡是依靠物体内的离子运动而导电的导体叫做离子导体,也称第二类导体。 三个电化学体系: 原电池:由外电源提供电能,使电流通过电极,在电极上发生电极反应的装置。 电解池:将电能转化为化学能的电化学体系叫电解电池或电解池。 腐蚀电池:只能导致金属材料破坏而不能对外界做有用功的短路原电池。 阳极:发生氧化反应的电极 原电池(-)电解池(+) 阴极:发生还原反应的电极 原电池(+)电解池(-) 电解质分类: 定义:溶于溶剂或熔化时形成离子,从而具有导电能力的物质。 分类: 1.弱电解质与强电解质—根据电离程度 2.缔合式与非缔合式—根据离子在溶液中存在的形态 3.可能电解质与真实电解质—根据键合类型 水化数:水化膜中包含的水分子数。 水化膜:离子与水分子相互作用改变了定向取向的水分子性质,受这种相互作用的水分子层称为水化膜。可分为原水化膜与二级水化膜。 活度与活度系数: 活度:即“有效浓度”。 活度系数:活度与浓度的比值,反映了粒子间相互作用所引起的真实溶液与理想溶液的偏差。 规定:活度等于1的状态为标准态。对于固态、液态物质和溶剂,这一标准态就是它们的纯物质状态,即规定纯物质的活度等于1。 离子强度I : 离子强度定律:在稀溶液范围内,电解质活度与离子强度之间的关系为: 注:上式当溶液浓度小于0.01mol ·dm-3 时才有效。 电导:量度导体导电能力大小的物理量,其值为电阻的倒数。 符号为G ,单位为S ( 1S =1/Ω)。 影响溶液电导的主要因素:(1)离子数量;(2)离子运动速度。 当量电导(率):在两个相距为单位长度的平行板电极之间,放置含有1 克当量电解质的溶液时,溶液所具有的电导称为当量电导,单位为Ω-1 ·cm2·eq-1。 与 K 的关系: 与 的关系: 当λ趋于一个极限值时,称为无限稀释溶液当量电导或极限当量电导。 离子独立移动定律:当溶液无限稀释时,可以完全忽略离子间的相互作用,此时离子的运动 i i i x αγ=∑ =2 2 1i i z m I I A ?-=±γlog L A G κ= KV =λN c N c k 1000=λ- ++=000λλλ
高三化学一轮复习:电化学原理及其应用
电化学原理及其应用 1.家蝇的雌性信息素可用芥酸(来自菜籽油)与羧酸X在浓NaOH溶液中进行阳极氧化得到。 电解总反应式为: 则下列说法正确的是( ) A.X为C2H5COOH B.电解的阳极反应式为:C21H41COOH+X-2e-+2H2O―→C23H46+2CO2-3+6H+ C.电解过程中,每转移a mol电子,则生成0.5a mol雌性信息素 D.阴极的还原产物为H2和OH- 解析:A项根据原子守恒可判断X为C2H5COOH;B项由于电解质溶液为浓NaOH,因此阳极反应式应为C21H41COOH+X-2e-+60H-―→C23H46+2CO2-3+4H2O;C项根据电解总反应可知每生成1 mol雌性信息素转移2 mol电子,则C项正确;D项阴极的还原产物为H2,OH-并非氧化还原产物. 答案:AC 2.下列关于铜电极的叙述正确的是( ) A.铜锌原电池中铜是负极 B.用电解法精炼粗铜时,粗铜作阴极 C.在镀件上电镀铜时可用金属铜做阳极 D.电解稀硫酸制H2和O2时铜做阳极 解析:铜锌原电池中锌活泼,锌做负极;电解精炼铜时,粗铜中的铜失去电子,做阳极; 电镀铜时,应选用铜片做阳极,镀件做阴极,含有铜离子的溶液做电镀液。电解稀硫酸时,铜做阳极,失电子的是铜而不是溶液中的OH-,因而得不到氧气。 答案:C 3.普通水泥在固化过程中自由水分子减少并产生Ca(OH)2,溶液呈碱性。根据这一特点,科学家发明了电动势(E)法测水泥初凝时间,此法的原理如图所示,反应的总方程式为:2Cu +Ag2O===Cu2O+2Ag。 下列有关说法不正确的是( ) A.工业上制备普通水泥的主要原料是黏土和石灰石
{高中试卷}高三化学一轮复习:电化学原理及其应用[仅供参考]
20XX年高中测试 高 中 试 题 试 卷 科目: 年级: 考点:
监考老师: 日期: 电化学原理及其应用 1.家蝇的雌性信息素可用芥酸(来自菜籽油)与羧酸X在浓NaOH溶液中进行阳极氧化得到。电解总反应式为: 则下列说法正确的是( ) A.X为C2H5COOH 3+6H+B.电解的阳极反应式为:C21H41COOH+X-2e-+2H2O―→C23H46+2CO2- C.电解过程中,每转移a mol电子,则生成0.5a mol雌性信息素 D.阴极的还原产物为H2和OH- 解析:A项根据原子守恒可判断X为C2H5COOH;B项由于电解质溶液为浓NaOH,因此阳极反应 3+4H2O;C项根据电解总反应可知每生成1 式应为C21H41COOH+X-2e-+60H-―→C23H46+2CO2- mol雌性信息素转移2 mol电子,则C项正确;D项阴极的还原产物为H2,OH-并非氧化还原产物. 答案:AC 2.下列关于铜电极的叙述正确的是( ) A.铜锌原电池中铜是负极 B.用电解法精炼粗铜时,粗铜作阴极 C.在镀件上电镀铜时可用金属铜做阳极 D.电解稀硫酸制H2和O2时铜做阳极 解析:铜锌原电池中锌活泼,锌做负极;电解精炼铜时,粗铜中的铜失去电子,做阳极;电
镀铜时,应选用铜片做阳极,镀件做阴极,含有铜离子的溶液做电镀液。电解稀硫酸时,铜做阳极,失电子的是铜而不是溶液中的OH-,因而得不到氧气。 答案:C 3.普通水泥在固化过程中自由水分子减少并产生Ca(OH)2,溶液呈碱性。根据这一特点,科学家发明了电动势(E)法测水泥初凝时间,此法的原理如图所示,反应的总方程式为:2Cu+Ag2O===Cu2O+2Ag。 下列有关说法不正确的是( ) A.工业上制备普通水泥的主要原料是黏土和石灰石 B.测量原理装置图中,Ag2O/Ag极发生氧化反应 C.负极的电极反应式为:2Cu+2OH--2e-===Cu2O+H2O D.在水泥固化过程中,由于自由水分子的减少,溶液中各离子浓度的变化导致电动势变化解析:A项工业上制备普通水泥的主要原料正确;B项测量原理装置图中,Ag2O/Ag极发生还原反应;C项负极材料Cu失电子,该电极反应式正确;D项在溶液中通过离子移动来传递电荷,因此各离子浓度的变化导致电动势变化。 答案:B 4. LiFePO4电池具有稳定性高、安全、对环境友好等优点,可用于电动汽车。电池反应为:FePO4 +Li 放电 充电 LiFePO4,电池的正极材料是LiFePO4,负极材料是石墨,含Li+导电固体为电解 质。 下列有关LiFePO4电池说法正确的是( ) A.可加入硫酸以提高电解质的导电性B.放电时电池内部Li+向负极移动 C.充电过程中,电池正极材料的质量减少
电化学原理及其应用(习题及答案)
电化学原理及其应用 (习题及答案) https://www.360docs.net/doc/796041309.html,work Information Technology Company.2020YEAR
第六章电化学原理及其应用 一、选择题 1.下列电极反应中,溶液中的pH值升高,其氧化态的氧化性减小的是( C ) A. Br2+2e = 2Br- B. Cl2+2e=2Cl— C. MnO4—+5e+8H+=2Mn2++4H2O D. Zn2++2e=Zn 2.已知H2O2在酸性介质中的电势图为 O2 0.67V H2O2 1.77V H2O,在碱性介质中的电势图为O2-0.08V H2O2 0.87V H2O,说明H2O2的歧化反应(C) A.只在酸性介质中发生 B.只在碱性介质中发生 C.无论在酸、碱性介质中都发生D.与反应方程式的书写有关 3.与下列原电池电动势无关的因素是 Zn | Zn2+‖H+,H2 | Pt (B) A. Zn2+的浓度 B. Zn电极板的面积 C.H+的浓度 D.温度 4.298K时,已知Eθ(Fe3+/Fe)=0.771V,Eθ(Sn4+/Sn2+)=0.150V,则反应 2Fe2++Sn4+=2Fe3++Sn2+的△r G mθ为(D)kJ/mol。 A. -268.7 B. -177.8 C. -119.9 D. 119.9 5.判断在酸性溶液中下列等浓度的离子哪些能共存(D) A Sn2+和Hg2+ B. SO32—和MnO4— C. Sn4+和Fe D. Fe2+和Sn4+ 已知Eθ(Hg2+/Hg)=0.851V,Eθ(Sn4+/Sn2+)=0.15V ,Eθ(MnO4—/Mn2+)=1.49V Eθ(SO42—/H2SO3)=1.29V ,Eθ(Fe2+/Fe)= —0.44V 6.已知下列反应在标准状态下逆向自发进行 Sn4++Cu = Sn2++Cu2+
电化学原理及其应用
5月6日晨测:化学原理及其应用(时间:40分钟) 可能用到的相对原子质量: Cu -64 Zn -65 1.(2020·广西省桂林市高三联合调研)钠硫电池以熔融金属钠、熔融硫和多硫化钠(Na 2S x )分别作为两个电极的反应物,固体Al 2O 3陶瓷(可传导Na +)为电解质,总反应为2Na+xS Na 2S x ,其反应原理如图所示。下列叙述正 确的是( ) A .放电时,电极a 为正极 B .放电时,内电路中Na +的移动方向为从b 到a C .充电时,电极b 的反应式为S x 2--2e -=xS D .充电时,Na +在电极b 上获得电子,发生还原反应 2.(2020·吉林省吉林市高三二调)金属(M)-空气电池具有原料易得,能量密度高等优点,有望成为新能源汽车和移动设备的电源,该类电池放电的总反应方程式为:2M +O 2+2H 2O =2M(OH)2。 (已知:电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能)下列说法正确的是( ) A .电解质中的阴离子向多孔电极移动 B .比较Mg 、Al 、Zn 三种金属-空气电池,Mg -空气电池的理论比能量最高 C .空气电池放电过程的负极反应式2M -4e -+4OH -=2M(OH)2 D .当外电路中转移4mol 电子时,多孔电极需要通入空气22.4L(标准状况) 3.(2020·福建省龙岩市高三质量检测)我国某科研团队设计了一种新型能量存储/转化装置(如下图所示)。闭合K 2、断开K 1时,制氢并储能;断开K 2、闭合K 1时,供电。下列说法错误的是( ) A .制氢时,溶液中K +向Pt 电极移动 B .制氢时,X 电极反应式为22Ni(OH)e OH NiOOH H O ---+=+ C .供电时,Zn 电极附近溶液的pH 降低
电化学原理
可逆体系的循环伏安研究 1 实验目的 1)掌握循环伏安法研究电极过程的基本原理 2)学习使用CHI660电化学综合分析仪 3)测定K3Fe(CN)6体系在不同扫描速率时的循环伏安图 2 实验原理 1)循环伏安法概述: 循环伏安法(CyclicVoltammetry)的基本原理是:根据研究体系的性质,选择电位扫描范围和扫描速率,从选定的起始电位开始扫描后,研究电极的电位按指定的方向和速率随时间线性变化,完成所确定的电位扫描范围到达终止电位后,会自动以同样的扫描速率返回到起始电位。在电位进行扫描的同时,同步测量研究电极的电流响应,所获得的电流-电位曲线称为循环伏安曲线或循环伏安扫描图。通过对循环伏安扫描图进行定性和定量分析,可以确定电极上进行的电极过程的热力学可逆程度、得失电子数、是否伴随耦合化学反应及电极过程动力学参数,从而拟定或推断电极上所进行的电化学过程的机理。 循环伏安法是进行电化学和电分析化学研究的最基本和最常用的方法,1922年由Jaroslav Heyrovsky创立的以滴汞电极作为工作电极的极谱分析法(Polarography),可以认为是伏安研究方法的早期形式,其对电化学研究领域的杰出贡献,Heyrovsky在1959年获得诺贝尔化学奖。随着固体电极,修饰电极的广泛使用和电子技术的发展,循环伏安法的测试范围和测试技术、数据采集和处理等方面显著改善和提高,从而使电化学和电分析化学方法更普遍地应用于化学化工、生命科学、材料科学及环境和能源等领域。 2)循环伏安扫描图: 循环伏安法研究体系是由工作电极、参比电极、辅助电极构成的三电极系统,工作电极和参比电极组成电位测量,工作电极和辅助电极组成的回路测量电流。工作电极可选用固态或液态电极,如:铂、金、玻璃石墨电极或悬汞、汞膜电极。常用的参比电极有:饱和甘汞电极(SCE)、银-氯化银电极,因此,循环伏安曲线中的电位值都是相对于参比电极而言。辅助电极可选用固态的惰性电极,如:铂丝或铂片电极、玻碳电极等。电解池中的电解液包括:氧化还原体系(常用的浓度范围:mmol/L)、支持电解质(浓度范围:mol/L)。循环伏安测定方法是:将CHI660电化学综合分析仪与研究体系连接,选定电位扫描范围E1~E2和扫描速率υ,从起始电位E1开始扫描,电位按选定的扫描速率呈线性变化从E1到达E2,然后连续反方向再扫描从E2回到E1,如图C17.1所示,电位随时间的变化呈现的是等腰三角波信号。 在扫描电位范围内,若在某一电位值时出现电流峰,说明在此电位时发生了电极反应。若在正向扫描时电极反应的产物是足够稳定的,且能在电极表面发生电极反应,那么在返回扫描时将出现于正向电流峰相对应的逆向电流峰。典型的循环伏安曲线如图C17.2所示,i pc 和i pa分别表示阴极峰值电流和阳极峰值电流,对应的阴极峰值电位与阳极峰值电位分别为E pc和E pa。(p表示峰值,a表示阳极,c表示阴极。)
电化学原理及其应用
第4章电化学原理及应用 5课时 教学目标及基本要求 1. 明确原电池及相关的概念。了解电极的分类,了解电极电势的概念。 2. 能用能斯特方程式进行有关计算。能应用电极电势的数据判断氧化剂、还原剂的相对强弱及氧化还原反应自发进行的方向和程度。 3. 了解摩尔吉布斯自由能变与原电池电动势,标准摩尔吉布斯自由能变与氧化还原反应平衡常数的关系。 4. 了解电解、电镀、电抛光的基本原理,了解它们在工程上的应用。了解金属腐蚀及防护原理。 教学重点 1. 原电池符号的书写 2. 影响电极电势的因素 3. 电极电势与吉布斯的关系 4. 电极电势的应用 教学难点 1. 电极类型 2. 能斯特方程及相关计算 3. 应用电极电势判断氧化剂、还原剂的相对强弱 本章教学方式(手段)及教学过程中应注意的问题 本章采用多媒体结合板书的方式进行教学。 在教学过程中注意 1. 原电池的设计 2. 浓度、酸度对电极电势的影响 3. 电极电势的应用 主要教学内容 4.1 原电池(Electrochemical cell) 任何自发进行的氧化还原(oxidation-reduction) 反应,只要设计适当,都可以设计成原电池
用以产生电流。 4.1.1 原电池的结构与工作原理 Zn(s)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s) 负极Zn(s) → Zn2+(aq)+2e-(Oxidation) 正极Cu2+(aq)+2e-→ Cu(s) (Reduction) 总反应:Zn(s)+ Cu2+(aq) → Zn2+(aq)+ Cu(s) 原电池的符号(图式)(cell diagram) 表示: 如铜- 锌原电池, : Zn ∣ZnSO4(c1) ┊┊CuSO4(c2) ∣Cu 规定:(1) 负极(anode) 在左边,正极(Cathode) 在右边,按实际顺序从左至右依次排列出各个相的组成及相态; (2) 用单实竖线表示相界面, 用双虚竖线表示盐桥; (3) 溶液注明浓度,气体注明分压; (4) 若溶液中含有两种离子参加电极反应, 可用逗号隔开,并加上惰性电极. 4.1.2 电极类型 按氧化态、还原态物质的状态分类: 第一类电极:元素与含有这种元素离子的溶液一起构成的电极。 (1) 金属──金属离子电极: Zn2+| Zn ;Cu2+| Cu ;Ni2+| Ni (2) 气体——离子电极: H+ |H2(g) | Pt 2H+ + 2e-=H2(g) Cl-| Cl2(g) | PtCl2(g) + 2e-=2Cl- 第二类电极: (1) 金属──金属难溶盐电极: 甘汞电极:Cl-|Hg2Cl2(s)| Hg Hg2Cl2(s) + 2e-=2 Hg (s) + 2 Cl- 银-氯化银电极:Cl-| AgCl(s) | Ag AgCl(s) + e-=Ag (s) + Cl- (2) 金属──难溶金属氧化物电极: 锑—氧化锑电极:H+ ,H2O(g) | Sb2O2(s) |Sb Sb2O2(s) + 6 H+ + 6 e-=2Sb +3H2O(g) 第三类电极: 氧化还原电极: MnO4-,Mn2+| Pt 2 MnO4-+ 16H+ + 10e-→ 2Mn2++8H2O 4.2 电极电势
2018年-电化学原理与方法思考题
电化学原理与方法复习思考题 第一章绪论 1.你认为电化学体系与其它电子导体构成的电路体系的根本区别是什么? 2.简述电极反应的基本历程。 3.三电极体系指的是什么?三电极体系中有那些回路, 在每个回路中是否有电流 流过? 4.电化学反应与普通氧化还原反应的区别是什么? 5.电化学测量过程中一般采用三电极体系,为什么? 6.为什么电流或电流密度可以表示电化学反应的速度? 第二章电极-溶液界面结构 1.出现相间电势的可能原因有哪些?举例说明? 2.解释概念:内电为、外电位、表面电势、电化学势、零电荷电势、 3.金属/溶液相间平衡电势是如何建立的,以Zn|ZnSO4(α =1,水溶液)为例说明。 4.阐明电极|溶液界面双电层电容与紧密层和分散层电容的关系? 5.理想极化电极和理想不极化电极。 6.金属电极中电子在各能级上是如何分布的? 7.画出金属电极带净正电荷或负电荷时“电极/溶液”界面的电势分布曲线。 8.什么是ψ1效应?画出金属电极带净正电荷或负电荷并出现ψ1效应时的“电极/ 溶液”界面的电势分布曲线。 第三章传质过程动力学 1.液相传质过程有哪些,写出它们的作用范围? 2.液相传质过程有无电子转移?当该步骤成为电极过程的控速步骤时,该步骤的 速度如何表示?为什么? 3.当液相传质步骤成为电极过程的控速步骤时,能否应用能斯特方程?如果能应 注意什么?为什么? 4.什么是稳态和非稳态?造成稳态和非稳态的原因是什么?
5.列出理想情况下和实际情况下的稳态扩散过程的电流表达式。 6.解释概念:扩散层的有效厚度、稳态极限扩散电流密度 7.按以下情况列出电化学反应O+ne R在液相传质为控制步骤下的稳态I~?曲 线:反应生成独立相、反应产物可溶、开始反应前O与R均存在且可溶。 8.已知一个电化学反应,如何通过实验证明其是扩散控制过程? 9.液相传质过程为控制步骤时,用恒电位阶跃的暂态动力学关系说明单纯扩散过 程能否建立稳态传质过程。 10.解释液相传质过程为控制步骤时,恒电流阶跃暂态过程中“过渡时间”的概念 及物理意义。 11.对于电化学反应O+ne R,列出静止液层中平面电极上电位阶跃时的暂态电 流表达式。 第四章电化学步骤的动力学 1.当一个电子传递反应的交换电流密度较大时,线性电位扫描为什么会出现电流 峰?在峰电流是否对应与稳态扩散过程中的极限扩散电流? 2.电极过程中的电子传递控制和扩散控制 3.解释概念:极化、过电位、交换电流密度 4.外电流密度(I)与过电位之间(η)的线性关系和半对数关系各在什么条件下出 现?这是否意味着电化学极化有两种截然不同的动力学特征? 5.电极电势以哪两种不同的方式影响电化学反应速度的速度?阐述在上述两种 方式中电极电势如何影响电化学反应的速度? 6.从理论上推导出Tafel关系。 7.在不同的平衡电位下,交换电流密度是否相同?为什么? 8.对于电子传递步骤控制的电极过程,如何确定电极反应的基本动力学参数? 9.为什么说决定电化学极化程度的主要因素是净电流密度与交换电流密度的相 对大小? 10.从所学的电化学动力学方程推导出平衡时电极电势的能斯特方程。 11.当电化学极化和浓差极化共存时,利用I,i?和I d分析造成过电位的主要原因。 12.当电化学极化和浓差极化共存时,如何利用暂态恒电位阶跃法确定电极反应(电
电化学原理思考题答案解析
第三章 1.自发形成的双电层和强制形成的双电层在性质和结构上有无不同?为什么?2.理想极化电极和不极化电极有什么区别?它们在电化学中有什么重要用途?答:当电极反应速率为0,电流全部用于改变双电层的电极体系的电极称为理想极化电极,可用于界面结构和性质的研究。理想不极化电极是指当电极反应速率和电子反应速率相等时,极化作用和去极化作用平衡,无极化现象,通向界面的电流全部用于电化学反应,可用作参比电极。 3.什么是电毛细现象?为什么电毛细曲线是具有极大值的抛物线形状? 答:电毛细现象是指界面张力随电极电位变化的现象。溶液界面存在双电层,剩余电荷无论带正电还是负电,同性电荷间相互排斥,使界面扩大,而界面张力力图使界面缩小,两者作用效果相反,因此带电界面的张力比不带电时小,且电荷密度越大,界面张力越小,因此电毛细曲线是具有极大值的抛物线形状。 4.标准氢电极的表面剩余电荷是否为零?用什么办法能确定其表面带电状况?答:不一定,标准氢电极电位为0指的是氢标电位,是人为规定的,电极表面剩余电荷密度为0时的电位指的是零电荷电位,其数值并不一定为0;因为形成相间电位差的原因除了离子双电层外,还有吸附双电层\ 偶极子双电层\金属表面电位。可通过零电荷电位判断电极表面带电状况,测定氢标电极的零电荷电位,若小于0则电极带正电,反之带负电。 5.你能根据电毛细曲线的基本规律分析气泡在电极上的附着力与电极电位有什么关系吗?为什么有这种关系?(提示:液体对电极表面的润湿性越高,气体在电极表面的附着力就越小。) 6.为什么在微分电容曲线中,当电极电位绝对值较大时,会出现“平台”?7.双电层的电容为什么会随电极电位变化?试根据双电层结构的物理模型和数学模型型以解释。8.双电层的积分电容和微分电容有什么区别和联系?9.试述交流电桥法测量微分电容曲线的原理。10.影响双电层结构的主要因素是什么?为什么? 答:静电作用和热运动。静电作用使符号相反的剩余电荷相互靠近,贴于电极表面排列,热运动使荷电粒子外散,在这两种作用下界面层由紧密层和分散层组成。11.什么叫ψ1电位?能否说ψ1电位的大小只取决于电解质总浓度而与电解质本性无关?ψ1电位的符号是否总是与双电层总电位的符号一致?为什么? 答:距离电极表面d处的电位叫ψ1电位。不能,因为不同的紧密层d的大小不同,而紧密层的厚度显然与电解质本性有关,所以不能说ψ1电位的大小只取决于电解质总浓度而与电解质本性无关。当发生超载吸附时ψ1电位的符号与双电层总电位的符号不一致。12.试述双电层方程式的推导思路。推导的结果说明了什么问题? 13.如何通过微分电容曲线和电毛细曲线的分析来判断不同电位下的双电层结构?答:14.比较用微分电容法和电毛细曲线法求解电极表面剩余电荷密度的优缺点。15.什么是特性吸附?哪些类型的物质具有特性吸附的能力?答:溶液中的各种粒子还可能因非静电作用力而发生吸附称为特性吸附。大部分无机阴离子,部分无机阳离子以及表面活性有机分子可发生特性吸附。
高考化学复习专题:电化学原理及其应用(含答案)
专题三电化学原理及其应用 命题规律 电化学内容是高考试卷中的常客,对原电池和电解池的考查往往以选择题的形式考查两电极反应式的书写、两电极附近溶液性质的变化、电子的转移或电流方向的判断等。在第Ⅱ卷中会以应用性和综合性进行命题,如与生产生活(如金属的腐蚀和防护等)相联系,与无机推断、实验及化学计算等学科内知识综合,尤其特别注意燃料电池和新型电池的正、负极材料分析和电极反应式的书写。题型新颖,但不偏不怪,只要注意基础知识的落实,以及能力的训练便可以从容应对。 考点研析 考点一原电池原理及应用 1.(2009·福建理综,11改编)控制合适的条件,将反应2Fe3++2I-2Fe2++I2设计成如下图所示的原电池。下列判断不正确的是 ( ) A.反应开始时,乙中石墨电极上发生氧化反应 B.反应开始时,甲中石墨电极上Fe3+被还原 C.电流计读数为零时,反应达到化学平衡状态 D.电流计读数为零后,在甲中溶入FeCl2固体,乙中石墨电极为负极 试回答: (1)乙池中若换为Fe电极和FeCl2溶液,则原电池是怎样工作的? (2)电流计读数为零后,若在乙中溶入KI固体,则原电池反应能继续发生吗?若向甲中加入固体Fe呢?
2.(2010·安徽理综,11)某固体酸燃料电池以CsHSO 4固体为电解质传递H + ,其基本结构见下图,电池总反应可表示为:2H 2+O 2===2H 2O ,下列有关说法正确的是 ( ) A .电子通过外电路从b 极流向a 极 B .b 极上的电极反应式为:O 2+2H 2O +4e - ===4OH - C .每转移0.1 mol 电子,消耗1.12 L 的H 2 D .H + 由a 极通过固体酸电解质传递到b 极 3.(2010·广东理综,23改编)铜锌原电池(如下图)工作时,下列叙述正确的是 ( ) A .正极反应为:Zn -2e - ===Zn 2+ B .电池反应为:Zn +Cu 2+ ===Zn 2+ +Cu C .在外电路中,电子从正极流向负极 D .盐桥中的K + 移向ZnSO 4溶液 考点二 电解原理及其应用 4.(2009·安徽理综,12)Cu 2O 是一种半导体材料,基于绿色化学理念设计的一制取Cu 2O 的电解池示意图如下,电解总反应为:2Cu +H 2O=====通电 Cu 2O +H 2↑。下列说法正确的是( ) A .石墨电极上产生氢气 B .铜电极发生还原反应 C .铜电极接直流电源的负极 D .当有0.1 mol 电子转移时,有0.1 mol Cu 2O 生成 5.以惰性电极电解CuSO 4溶液。一段时间后取出电极,加入9.8 g Cu(OH)2后溶液与电解前相同,则电解时电路中流过的电子为 ( ) A .0.1 mol B .0.2 mol C .0.3 mol D .0.4 mol
电化学原理
电化学原理与方法预习思考题 第一章 绪论 1.你认为电化学体系与其它电子导体构成的电路体系的根本区别是什么? 2.简述电极反应的基本历程。 3.三电极体系指的是什么?三电极体系中有那些回路, 在每个回路中是否有电流 流过? 4.电化学反应与普通氧化还原反应的区别是什么? 5.电化学测量过程中一般采用三电极体系,为什么? 6.为什么电流或电流密度可以表示电化学反应的速度? 第二章 电极-溶液界面结构 1.出现相间电势的可能原因有哪些?举例说明? 2.解释概念:内电为、外电位、表面电势、电化学势、零电荷电势、 3.金属/溶液相间平衡电势是如何建立的,以Zn|ZnSO4(α =1,水溶液)为例说明。 4.阐明电极|溶液界面双电层电容与紧密层和分散层电容的关系? 5.理想极化电极和理想不极化电极。 6.金属电极中电子在各能级上是如何分布的? 第三章 传质过程动力学 1.液相传质过程有哪些,写出它们的作用范围? 2.液相传质过程有无电子转移?当该步骤成为电极过程的控速步骤时,该步骤的 速度如何表示?为什么? 3.当液相传质步骤成为电极过程的控速步骤时,能否应用能斯特方程?如果能应 注意什么?为什么? 4.什么是稳态和非稳态?造成稳态和非稳态的原因是什么? 5.列出理想情况下和实际情况下的稳态扩散过程的电流表达式。 6.解释概念:扩散层的有效厚度 7.按以下情况列出电化学反应O+ne|R在液相传质为控制步骤下的稳态I~?曲
线:反应生成独立相、反应产物可溶、开始反应前O与R均存在且可溶。 8.已知一个电化学反应,如何通过实验证明其是扩散控制过程? 9.液相传质过程为控制步骤时,用恒电位阶跃的暂态动力学关系说明单纯扩散过 程能否建立稳态传质过程。 10.解释液相传质过程为控制步骤时,恒电流阶跃暂态过程中“过渡时间”的概念 及物理意义。 11.对于电化学反应O+ne|R,列出静止液层中平面电极上电位阶跃时的暂态电 流表达式。 第四章 电化学步骤的动力学 1.当一个电子传递反应的交换电流密度较大时,线性电位扫描为什么会出现电流 峰?在峰电流是否对应与稳态扩散过程中的极限扩散电流? 2.电极过程中的电子传递控制和扩散控制 3.解释概念:极化、过电位、交换电流密度 4.外电流密度(I)与过电位之间(η)的线性关系和半对数关系各在什么条件下出 现?这是否意味着电化学极化有两种截然不同的动力学特征? 5.电极电势以哪两种不同的方式影响电化学反应速度的速度?阐述在上述两种 方式中电极电势如何影响电化学反应的速度? 6.从理论上推导出Tafel关系。 7.在不同的平衡电位下,交换电流密度是否相同?为什么? 8.对于电子传递步骤控制的电极过程,如何确定电极反应的基本动力学参数? 9.为什么说决定电化学极化程度的主要因素是净电流密度与交换电流密度的相 对大小? 10.从所学的电化学动力学方程推导出平衡时电极电势的能斯特方程。 11.当电化学极化和浓差极化共存时,利用I,i°和I d分析造成过电位的主要原因。 12.当电化学极化和浓差极化共存时,如何利用暂态恒电位阶跃法确定电极反应(电 子传递步骤)的基本动力学参数? 第五章 电子传递步骤的机理
电化学加工原理及应用总结
电化学加工原理及应用 电化学加工(Electrochemical Making),也称电解加工,是利用金属在外电场作用下的高速局部阳极溶解实现电化学反应,对金属材料进行加工的方法。常用的电化学加工有电解加工、电磨削、电化学抛光、电镀、电刻蚀和电解冶炼等。 电化学加工的原理: 电化学加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解来将工件成型的。如图1 所示,工件接直流电源的正极为阳极,按所需形状制成的工具接直流电源的负极为阴极。阳极表面铁原子在外电源的作用下放出两个电子,成为正的二价铁离子而溶解进入电解液中(Fe-2e=Fe+2)。溶入电解液中的Fe+2又与OH-离子化合,生成Fe(OH)2沉淀,随着电解液的流动而被带走。Fe(OH)2 又逐渐为电解液中及空气中的氧氧化为Fe(OH)3红褐色沉淀。 正的H+被吸收到阴极表面,从电源得到电子而析出氢气(2H++2e=H2↑)。电解液从两极间隙(0.1~0.8 mm)中高速(5~60 m/s)流过。当工具阴极向工件进给并保持一定间隙时即产生电化学反应,在相对于阴极的工件表面上,金属材料按对应于工具阴极型面的形状不断地被溶解到电解液中,随着工件表面金属材料的不断溶解,工具阴极不断地向工件进给,溶解的电解产物不断地被电解液冲走,工件表面也就逐渐被加工成接近于工具电极的形状,如此下去直至将工具的形状复制到工件上。 电化学加工的应用: 电化学加工应用主要有电解加工、电化学抛光、电镀、电铸、电解磨削等方面。具体应用于发动机叶片加工、火炮膛线加工、加工锻模型腔、深孔、小孔、长键槽、等截面叶片整体叶轮以及零件去毛刺、难导电硬脆材料加工等。
航空发动机叶片加工----相对于叶片的几何结构及采用的材料, 电解加工能充分发挥其技术特长。尽管由于叶片精密锻造、精密铸造、精密辊轧技术的提高而有更多的叶片采用精密成形, 使电解加工叶片的数量有一些减少, 但随着叶片材料向高强、高硬、高韧性方向发展和钛合金、钴镍超级耐热合金的采用, 以及超精密、超薄、大扭角、低展弦比等特殊结构叶片的出现, 对电解加工又提出了新的、更高的要求, 电解加工依然是优选工艺方法之一。 如空心冷却涡轮叶片和导向器叶片上的许多小孔, 特别是深小孔和呈多向不同角度分布的小孔,用普通机械钻削方法特别困难, 甚至不能加工;而用电火花、激光加工又有表面再铸层问题, 且加工孔深也有限;采用电解方法则加工效率、加工质量明显提高, 加工孔深大大增加, 还可以采用复合多孔加工方式, 使加工效率提高几倍、十几倍。 为了满足第三代、第四代飞机高推重比、高可靠性的要求, 各类新型航空、航天发动机相继采用整体叶轮、整体叶盘结构。电解加工与数控技术的结合,是可望解决难切削材料整体叶盘的优质、高效、低成本加工问题的有效途径。 火炮膛线加工----随着兵器技术的发展,对火炮身管的要求也越来越高。随 着炮管材料变硬,膛线数目增多,槽线变深,缠角变大,机械拉削难以实现膛线的加工;因电解加工具有一次成型、加工效率高,离子级溶解、表面质量好,工具损耗小、无残余应力的优点,在深孔和膛线加工中尤为突出。因此,电解加工膛线变得不可或缺。 零件去毛刺----去毛刺是机械加工最后阶段必须进行的一项重要的技术,对 于可达性差、与主孔垂直的内部交叉阵列孔毛刺,一般的加工方法难以实现对其去除。目前国内主要采用手工的方法进行去除,该方法存在去除效率低、成本高的缺点,故需寻求一种去除效率高、自动化程度高的加工方法。 电化学去毛刺是金属在电解液中发生基于电化学作用的阳极溶解而去除零 件毛刺的加工工艺方法,这是一种先进的去毛刺技术,是电化学加工中发展较快、应用较广的一项工艺,它具有去除毛刺质量好、安全可靠、高效等优点,且能去除可达性差的复杂内腔部位的毛刺,现已在汽车发动机、航空航天、气动液压等领域得到运用。在汽车转向器中的螺杆轴上内交叉阵列小孔毛刺去除的实例实验验证中得到了良好的加工效果。 难导电硬脆材料加工----因半导体、光学玻璃、工程陶瓷等难导电硬脆材料 具有耐磨性强、硬度高等优良性能,故在电子、光学等领域得到了广泛应用。但难导电硬脆材料的脆性大,采用传统机械加工方法成本高、效率低,且易产生微裂纹,从而严重影响表面质量和性能。电加工是依靠电能、热能而不是机械能实现加工的,可以加工任何硬、脆、韧、软及高熔点的导电材料,而难导电硬脆材料一般不能直接采用电加工方法加工。郭永丰等研究了基于绝缘陶瓷辅助电火花加工原理在煤油中对绝缘陶瓷的电火花磨削加工,但加工效率较低。黑松彰雄研究了机械电解电火花复合磨削技术,该技术能实现对非导电陶瓷的高效精密加工,但仍存在放电难以控制和电能利用率低等问题。刘永红等提出了双电极同步伺服电火花机械复合磨削技术,实现了对非导电陶瓷的磨削加工,但辅助电极送给及控制系统较为复杂,导致放电状态难以精确控制。
电化学原理试题
第六章电化学极化 1. 简述三种极化的概念,哪一种极化严格来讲不能称为极化。 电化学极化:当电极过程为电化学步骤控制时,由于电极反应本身的“迟缓性”而引起的极化。 浓度极化:当电极过程由液相传质步骤控制时,电极所产生的极化。 电阻极化:由电极的欧姆电阻引起的电位差。 电阻极化严格来讲不能称为极化 2. 简述电化学极化最基本的三个动力学参数的物理意义。 1) 对称系数:电位偏离形式电位时,还原反应过渡态活化能改变值占F 的分数。 物理意义:反应改变电极电位对还原反应活化能的影响程度;(1—)反应改变电极电位对氧化反应活化能的影响程度。 对称系数是能垒的对称性的变量,是由两条吉布斯自由能曲线的斜率决定的,而且曲线的形状和斜率是取决于物质的化学键特性。在CTP动力学中,可以用来推测过渡态的构型,研究电极反应的放电机理。 2)电极反应标准速率常数K:当电极电位等于形式电位时,正逆反应速率常数相等,称为标准速率常数。 物理意义:在形式电位下,反应物与产物浓度都为1时,K在数值上等于电极反应的绝对反应速度。 a.度量氧化还原电对的动力学难易程度;b体现电极反应的反应能力与反应活性;c.反应电极反应的可逆性。 3)交换电流密度J。:在平衡电位下,氧化反应和还原反应的绝对电流密度相等,称为交换电流密度。 物理意义:a.度量氧化还原电对的动力学难易程度;b体现电极反应的反应能力与反应活性;c.反应电极反应的可逆性;d.表示平衡电位下正逆反应的交换速度。 3.为什么电极电位的改变会影响电极反应的速度和方向? 4.写出Butler-Volmer公式在不同过电位范围下的近似公式。 5.简述J0对电极性质的影响。