第10章电解与极化作用
10章-电解与极化作用
13. 2 分(4934)4934已知φ (Fe2+/Fe)= -0.440 V, φ (Cu2+/Cu) = 0.337 V，在25℃, p 时,以Pt 为阴极，石墨为阳极，电解含有FeCl2(0.01 mol·kg-1)和CuCl2(0.02 mol·kg-1)的水溶液，若电解过程不断搅拌溶液，且超电势可忽略不计，则最先析出的金属是______。
15. 2 分(4890)4890采用三电极装置研究超电势时, 一般采用鲁金毛细管, 其作用为________________,采用搅拌其作用为_______________________________。
17. 2 分(4920)4920在锌电极上，H2的超电势为0.75 V，电解一含Zn2+的浓度为1×10-5 mol·kg-1的溶液，为了不使H2(g) 析出，问溶液的pH 值应控制在__________ 。
已知25℃时，φ (Zn2+/Zn)= -0.763 V 。
18. 2 分(4884)4884从能量的利用上看，超电势的存在有其不利的方面。
但在工业及分析等方面，超电势的现象也被广泛的应用, 试举出二个利用超电势的例子_________________________,_______________________________________。
2. 5 分(4908)4908某含有Ag+，Ni2+ ，Cd2+ （活度均为1）离子的pH = 2 的溶液，电解时, H2与各金属在阴极析出的先后顺序为________、________、_________、__________。
(已知φ (Ag+/Ag)= 0.799 V，φ (Ni2+/Ni)= -0.23 V，φ (Cd2+/Cd)= -0.402 V 。
H2在Ag 上超电势η=0.20 V，在Ni 上, η=0.24 V，在Cd 上, η=0.30 V)20. 5 分(4951)4951当锌、铜分别从摩尔浓度的水溶液中沉积时，最小析出电势是多少? 当浓度都是0.01 mol·dm-3时, 相应析出电势是什么? 设活度系数均为1 。
(整理)第十章电解与极化作用练习题与答案(2)
第10章电解与极化作用练习题二、单选题：1．298K，p下，试图电解HCl溶液(a = 1)制备H2和Cl2，若以Pt作电极，当电极上有气泡产生时，外加电压与电极电位关系：(A)V(外) = φ(Cl-/Cl2) -φ(H+/H2) ；(B)V(外)>φ(Cl-/Cl2)-φ(H+/H2) ；(C) V(外)≥φ(Cl2,析) -φ(H2,析) ；(D)V(外)≥φ(Cl-/Cl2) -φ(H+/H2) 。
2．25℃时，用Pt作电极电解a(H+) = 1的H2SO4溶液，当i = 52 ×10-4A·cm-2时，2Hη= 0，2Oη= 0.487V. 已知φ(O2/H2O) = 1.229V，那么分解电压是：(A) 0.742 V ；(B) 1.315 V ；(C) 1.216 V ；(D) 1.716 V 。
3．下列两图的四条极化曲线中分别代表原电池的阴极极化曲线和电解池的阳极极化曲线的是：(A) 1、4；(B) 1、3；(C) 2、3；(D) 2、4。
8．在极化曲线的测定中，参比电极的作用是：(A) 与待测电极构成闭合回路，使电流通过电解池；(B) 作为理想的极化电极；(C) 具有较小的交换电流密度和良好的电势稳定性；(D) 近似为理想不极化电极，与被测电极构成可逆原电池 .10．分别用(1)铂黑电极，(2)光亮铂电极，(3)铁电极，(4)汞电极，电解硫酸溶液，若电极极片的大小和外加电压相同，则反应速度次序是：(A) (4) > (3) > (2) > (1) ；(B) (2) > (1) > (3) > (4) ；(C) (1) > (2) > (3) > (4) ；(D) (4) > (2) > (3) > (1) 。
12．当原电池放电，在外电路中有电流通过时，其电极电势的变化规律是：(A) 负极电势高于正极电势；(B) 阳极电势高于阴极电势；(C) 正极可逆电势比不可逆电势更正；(D) 阴极不可逆电势比可逆电势更正。
电解与极化作用小结
(A)都溶解
(B)Fe(s)不溶，Cd(s)溶解
(C)都不溶解
(D)Fe(s)溶解，Cd(s)不溶
答 (B) 设构成电池 Cd(s)|Cd2+||Fe2+|Fe(s)
则 电池反应为 Cd(s) + |Fe2+ = Cd2+ + Fe(s)
E
=
EO
−
RT 2F
ln
a(Cd 2+ ) a( Fe2+ )
解：
（1）
ϕ Cd 2+/ Cd
+
RT
F
ln
a Cd
2+
= −0.403 +
RT ln 0.01 = −0.4621V 2F
ϕ Cu 2+ / Cu
=ϕO Cu 2+ / Cu
+ RT F
ln
a Cu
2+
= 0.337 +
RT ln 0.02 = 0.2868 V 2F
仍不会有 H2(g)析出，问溶液的 pH 值应控制在多少为好？ 已知 H2(g)在 Zn(s)上的超电势为 0.72V，并设此值与溶液浓度无关。 (设 γ±＝1)已知： ϕ O (Zn2+/Zn)＝－0.7628V .
解： φ(Zn2+/Zn)＝ ϕ O (Zn2+/Zn) －RT/2F×ln 1/a(Zn2+) = －0.8811 V
例题 12 298K， pO 下，以 Pt 为阴极，电解含 FeCl2(0.01mol·kg－1)和 CuCl2(0.02mol·kg
－1)的水溶液。若电解过程中不断搅拌，并设超电势可略去不计，已知ϕ O (Fe2+/ Fe)
10-电解与极化作用
阳，析出 阳，可逆 阳
3、极化曲线的测定
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。
+
测定超电势的装置
如右图所示：
A
电极1为待测电极，
测定分解电压时的电流-电压曲线
二、分解电压的测定
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。
电
E外 Eb,max IR
流 I
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。
（2）电化学极化
以铜电极为例： 电极反应进行缓慢
作为阴极：则由外电源输入阴 极的电子来不及消耗，即溶液 中Cu2+不能马上与电极上的电 子结合，变成Cu，结果使阴极 表面积累了多于平衡状态的电 子，导致电极电势比平衡电极 电势更小。
-
- 电源 +
e-
+
e-
Cu
Cu
CuSO4
电解池
作为阳极：类似的，作为阳极时，会使阳极表面的电 子数目小于平衡状态的电子，导致电极电势比平衡电 极电势更大。
Ag ,Ag
-
RT F
ln
1 c,e
c,e c0
阴，不可逆 阴，可逆
c'
扩散层
在浓度梯度作用下(ce’ < c0)Ag+向 电极表面的迁移
阴极浓差极化的结果是阴极电极电势比可逆时变小。
（1）浓差极化
阳极： Ag Ag＋+e ， v扩<v反，c0 < ce`
物理化学期中-第十章 电解与极化作用-考研试题文档资料系列
第十章 电解与极化作用一、选择题1、金属活性排在H 2之前的金属离子，如Na +能优先于H +在汞电极上析出，这是由于（ ）（A ）φ（标准）（Na +/Na）<φ(标准)(H +/H 2) （B）φ（Na +/Na）<φ(H +/H 2)（C）η（Na）<η(H 2) (D)H2在汞上析出有很大的超电势， 以至于φ（Na +/Na）>φ（H +/H 2）2、用铜电极电解CuCl 2的水溶液，在阳极上会发生（ ）（A ） 析出氧气 （B ）析出氯气 （C ）析出铜 （D ）铜电极溶解3、Tafel 公式η=a+blgj 的适用范围是（ ）（A）仅限于氢超电势 （B）仅限于j 约等于零，电极电势稍有偏差的情况（C）仅限于阴极超电势，可以是析出氢，也可以是其他（D ）可以是阴极超电势，也可以是阳极超电势4、极谱分析中加入大量惰性电解质的目的是（ ）（A ） 增加溶液电导 （B ）固定离子强度（C ）消除迁移电离 （D ）上述几种都是5、当发生极化现象时，两电极的电极电势将发生如下变化（ ）（A ）φ平，阳>φ阳;φ平，阴>φ阴 （B）φ平，阳<φ阳;φ平，阴>φ阴（C）φ平，阳<φ阳;φ平,阴<φ阴 （D）φ平，阳>φ阳φ平，阴<φ阴6、极谱分析的基本原理是根据滴汞电极的（ ）（A）电阻（B）浓差极化的形成 （C）汞齐的形成 （D）活化超电势二、填空题1、已知φ（标准）（Fe 2+/Fe）=-0.440V，φ（标准）（Cu 2+/Cu）=0.337V，在25℃，标准 大气压时，以Pt 为阴极，石墨为阳极，电解含有FeCl 2（0.01mol.Kg -1）和CuCl 2 （0.02mol.Kg -1）的水溶液，若电解过程中不断搅拌溶液，且超电势可忽略不计，则 最先析出的金属是————2、在锌电极上H 2的超电势为0.75V，电解一含Zn 2+的浓度为1*10-5mol.Kg -1的溶液，为了不使H 2（g）析出，向溶液的pH 值应控制在————已知25℃时φ（标准）（Zn 2+/Zn）=-0.763V3、以Cu 为电极电解1mol.Kg -1CuSO 4溶液（pH=3），则在阴极上的电极反应——-——————————阳极上的电极反应——————————。
物理化学下
根据迁移数的定义：
表明离子迁移的速率越大，所承担运载的电量的比例越大。 根据离子迁移率的定义，
t + = U + / （U + + U - ） t - = U- / （U + + U - ） t+ + t- =1 表明迁移数大的离子对运载电量的贡献越大。
离子的电迁移率反映出离子在一定电场条件下的定向移动的快慢程度； 迁移数反映出离子承担运载电量的比例； 离子的电迁移率越大，该离子的迁移数就越大； 总之：
§ 8.2 离子的电迁移率和迁移数
电解质溶液在电场中如何导电？ 阴离子向阳极移动；阳离子向阴极移动。
离子的电迁移 离子在外电场作用下发生定向移动。
离子浓度在迁移过程中发生怎样的变化？ 把电解质溶液分成本体区域和电极区域（阳极区域和阴极区域）： 在溶液本体区域内任意位置无论正、负离子的迁移，都会有相邻位置
原电池
化学能
电能
电解池
溶液的导电性 ——— 第八章内容；
电极电势的产生 —— 第九章内容；
外加电动势与可逆的偏差——第十章内容
电化学在科学研究和国民经济中的重要作用
1、电化学测试 pH、电导、离子选择电极（直接测定离子浓度） 、 电位滴定、 电导滴定、极谱分析、库仑分析、电化学传感器
2、电化学工业 电解（冶炼、精炼）、电镀、化学电源（燃料电池、锂离子电池） 电催化、电合成反应
电导率：电阻率的倒数称为电导率，单位是 S • m-1 ( 或Ω-1 • m-1 ) κ = 1/ρ
G= κA/l 电导率的物理意义是指长 1m、截面积为 1m2 的导体的电导； 电导率值越大，说明该导体越容易导电。
第十章_熔盐电解
熔盐电解时在熔融电解质一衬里界面上呈现另一界面张力，是熔盐在毛细吸力的影响
下与往衬里（如铝电解槽的碳阴极块内部）渗透，熔盐这种吸入作用的强度决定于毛细压
力：
2 cos P r
式中 θ——熔盐的润湿角；
（10 - 4）
σ——熔盐（电解质）与气相界面上的表面张力：
r——毛细管（孔隙）的半径；
可以看出，熔体向毛细管内的渗入程度，不仅与孔隙的大小有关，而且和熔体对固相的润
熔盐是不含有惰性溶剂的离子液体。因此，从某种意义上讲，熔盐中的迁移现象比水 溶液体系更为简单，如对纯盐就不存在扩散现象。
但是在熔盐电化学中经常用到自扩散的概念。所谓自扩散是指示踪离子在同种普通离 子熔盐中的扩散。例如，将放射性的 22Na+离子加入到普通的 NaCl 熔盐中，使之形成 的浓 度梯度，此时便会出现 22Na+在 NaCl 熔盐中的扩散，这种示踪离子在与自身化学性质相同 的离子盐中的扩散叫作自扩散，其扩散系数叫作自扩散系数。 两种或多种盐类混合时，可能出现不同离子间的浓度差，这时出现的扩散现象称为互扩散， 相应的扩散系数叫作互扩散系数。
工业上用熔盐电解法制取碱金属和碱土金属的熔盐电解质多半是卤化物盐系，如制取 铝的电介质是冰晶石（Na3AlF6）和氧化铝等组成的。因此，在讨论熔盐的盐系的物理化 学性质时，将主要涉及到由元素周期表中第二、第三族有关金属的氯化物、氟化物和氧化 物组成的盐系。
盐系的熔度图
由不同的盐可以组成不同的熔盐体系， 这些熔盐体系将具有不同的熔度图。 在碱金属卤化物组成二元盐系中，可以归类 成具有二元共晶的熔度图，有化合物形成的 二元熔度图，液态、固态完全互溶的二元系 熔度图和液态完全互溶、固态部分互溶的二 元系。
图 10-5
物理化学(第五版傅献彩)第10_电解与极化作用
无电流
ϕ可逆
= ϕy Ag+ |Ag
−
RT F
ln
1 aAg+
有电流
ϕ不可逆
= ϕy Ag+ |Ag
−
RT F
ln
1 aAg+ , e
η阴
= ϕ可逆
− ϕ不可逆
=
RT F
ln aAg+ aAg+ , e
>0
aAg+ , e < aAg+ ϕ不可逆 < ϕ可逆
阳极上的情况类似，但 ϕ不可逆 > ϕ可逆
的金属先在阴极析出，这在电镀工业上很重要 例如，利用氢的超电势，控制溶液的pH，实
现镀 Zn，Sn，Ni，Cr 等
25
阴极上发生还原反应
发生还原 (1) 金属离子 的物质： (2) 氢离子 (中性水溶液 aH+ = 10−7 ) 判断在阴极上首先析出何种物质，应把各 种可能还原的物质的电极电势求出来（气 体要考虑超电势，金属可不考虑超电势）
2H+ + 2e- = H2
ϕ可逆
=ϕΟ H+ |H2
− RT 2F
ln
pH2 / p Ο a2
H+
= −0.059pH = −0.414V
ϕ不可逆 = ϕ可逆 −η = −0.414V − 0.584V = −0.998V
Zn2+ + 2e- = Zn
ϕ可逆
=ϕΟ Zn2+ |Zn
− RT 2F
1 ln
=−
RT 2F
ln
aH2 a2
H+
−ηH2
设 pH2 = p Ο
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所以标准氢电极中的铂电极要镀上铂黑。
影响超电势的因素很多，如电极材料、电极表面 状态、电流密度、温度、电解质的性质、浓度及溶液 中的杂质等。
氢在几种电极上的超电势
1、当发生极化作用时，两电极的电极电势的变化为（ ）
压力，呈气泡逸出，反电动
流 I
势达极大值 Eb,max。
3
再增加电压，使I 迅速增加。
将直线外延至I = 0 处，得
2
E(分解)值，这是使电解池 不断工作所必需外加的最
1 E分解 电压E
小电压，称为分解电压。 测定分解电压时的电流-电压曲线
3. 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(阴) 和(阳) ，以及克服电 池电阻所产生的电位降 IR。这三者的加和就称为实 际分解电压。
E(分解) E(可逆) E(不可逆) IR
E(不可逆) (阳) (阴)
显然分解电压的数值会随着通入电流强度的增加而增加。
请思考以下问题：
1、什么是超电势？电极的极化主要有哪几种？
2、什么是浓差极化？浓差极化的结果是什么（即 阴、阳极可逆电极电势与不可逆电极电势的关系是 什么）？
3、如何计算电解池阴阳极的析出电极电势（即不 可逆电极电势）？如何计算分解电压？
(a)大于-0.06V (b)等于 -0.06V
(c) 小于-0.06V (d)无法判定
§10.3 电解时电极上的竞争反应
1. 金属的析出与氢的超电势 2. 金属离子的分离
1. 阴极上的反应 ห้องสมุดไป่ตู้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 aH+ 107 ）。 判断在阴极上首先析出何种物质，应把可能发
可逆
=
y Cu2+|Cu
-(RT/2F)
ln
[1/(ms(Cu2+)]
即 可逆,阳< 不可逆,阳 ；可逆,阴 > 不可逆,阴
结论：当电流通过电极时，因离子扩散的迟缓性而
导致电极表面附近离子浓度与本体溶液中不同，从
而使电极电势偏离平衡电极电势的现象，称作“浓
差极化”。
用搅拌和升温的方法可以减少浓差极化
(a)阳变大，阴变小 (b)阳变小，阴变大
(c)两者都变大
(d )两者都变小
2、极谱分析仪所用的测量阴极为（ ）
（a）电化学极化电极 （b）浓差极化电极
（c）理想可逆电极
（d）难极化电极
3、298K时，在0.10 mol·kg-1的HCl溶液中，氢电极 的可逆电势约为-0.06V，当用Cu电极电解此溶液， 氢在Cu电极上的析出电势应（ ）
4、用铜电极电解CuCl2的水溶液，不考虑超电势，在阳 极上将会发生的反应为（ ）
(已知Cu2 Cu
0.337V，
O2
H2O
1.23V， Cl2
Cl
1.360V )
(a) 析出氧气 (b) 析出氯气 (c) 析出铜 (d) 铜电极氧化
5、通电于含有相同浓度的Fe2+，Ca2+，Zn2+，和Cu2+ 的电解质溶液，设H2因有超电势而不析出，则这些金 属在阴极上的析出次序为（ ）
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。
§10.4 金属的电化学腐蚀、防腐与金属的钝化
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。
第十章 电解与极化
第十章 电解与极化作用
§10.1 分解电压 §10.2 极化作用 §10.3 电解时电极上的竞争反应 §10.4 金属的电化学腐蚀、防腐与金属的钝化 §10.5 化学电源
§10.1 理论分解电压
1. 理论分解电压定义
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
腐蚀时阴极上的反应
(1)析氢腐蚀 酸性介质中 H+在阴极上还原成氢气析出。
H+
e
1 2
H2
(g)
设 aH2 1, aH+ 107
(H+|H2 )
RT F
ln
aH2 aH+
(H+|H2 ) 0.413 V
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 107 以下，这样要求两种 离子的析出电势相差一定的数值。
阴
RT zF
ln 107
当 z1 z2 z3
阴 0.41V 阴 0.21V 阴 0.14V
当两种金属析出电势相同或接近时，同时析出为合金
如： y (Pb2+/ Pb) = －0.126V; y (Sn 2+/Sn) = －0.136V
2. 电极极化原因
2.1 浓差极化 电流通过电极时，若电化学反应速率较快，而离子的 扩散速率较慢，则电极表面附近和本体溶液中该离子 的浓度不同。如：
阴极: Cu2++2e-Cu 阳极: Cu Cu2+ +2e-
Cu
Cu2+
Cu
Cu2+
cs< cb
cs> cb
而电极电势只与其表面附近的离子浓度有关
电 流
I
随着E的增大，电极表面
3
产生少量氢气和氯气，但压
力低于大气压，无法逸出。
2
所产生的氢气和氯构成了
1
原电池，外加电压必须克服这
E分解 电压E
反电动势，继续增加电压，I 测定分解电压时的电流-电压曲线 有少许增加，如图中1-2段
2. 分解电压的测定
当外压增至2-3段，氢气
和氯气的压力等于大气 电
3、已知
Fe2 Fe
0.440V
,
Cd2
Cd
0.402V
将Fe(s)和Cd(s)的粉末投入含Fe2+(0.10 mol·kg-1)和含Cd2+ （0.001 mol·kg-1)的溶液中， Fe(s)和Cd(s)粉将（ ）
(a)都溶解 (b) Fe(s)不溶， Cd(s)溶解
(c) 都不溶解 (d) Fe(s)溶解， Cd(s)不溶
4、由于极化作用的存在，原电池和电解池的电动 势和实际分解电压随电流密度如何变化？
§10.2 极化作用
1. 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可逆(平衡)电势和阴极可 逆(平衡)电势
可逆（阳）,可逆（阴）
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， 这种对可逆平衡电势的偏离称为电极的极化。
铁在酸性介质中只能氧化成二价铁：
Fe(s) Fe2+ 2e
二价铁被空气中的氧气氧化成三价铁，三价铁在水 溶液中生成 Fe(OH)3 沉淀， Fe(OH)3 又可能部分失水 生成 Fe2O3
所以铁锈是一个由 Fe2+ , Fe3+ , Fe(OH)3, Fe2O3 等 化合物组成的疏松的混杂物质。
（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。
将含有杂质的粗锌放入稀硫酸中，腐蚀速度 比纯锌快
既有化学腐蚀,又有电化学腐蚀
H2 (气泡）
H2SO4
Zn
杂质
1 金属的电化学腐蚀
铜板上的铁铆钉为什么特别容易生锈？
i
a
i
c
r I(阳)
r I(阴)
j(电流密度)
3.2 极化曲线（polarization curve）
阴极曲线
E可逆+ΔE不可逆
阳极曲线
η阴
E可逆
η阳
电极电势
电解池中两电极的极化曲线
3.2 极化曲线（polarization curve）
η阳
E可逆 -ΔE不可逆
η阴
j(电流密度)
E可逆
电极电势
原电池中两电极的极化曲线
也可以利用滴汞电极上的浓差极化进行极谱分析。
2. 电极极化原因
2.2 电化学极化 电极反应总是分若干步进行，其中可能某一步
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。
3. 超电势
在某一电流密度下，实际发生电解的电极电势不可逆 与可逆电极电势 可逆 之间的差值称为超电势。
4. 氢超电势
电解质溶液通常用水作溶剂，在电解过程中，H+ 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。
氢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。
E(理论分解 ) E(可逆)
2. 分解电压的测定
使用Pt电极电解HCl， 加入中性盐用来导电，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。
电源
V