第二章 电化学充氢装置
第二章电化学充氢装置本章首先从充氢方式的介绍引出了电化学充氢，其次详细地介绍了电化学充氢的原理，经过综合比较，本文最后利用自行设计的充氢装置在不同条件下的测试，得出了最佳充氢的方案。
2.1充氢方式介绍临氢环境下的材料，在运行操作中溶解大量的氢，在停工时又从内部逸出一定量的氢，残留于材料内的氢浓度将引起钢的氢脆和开裂。
氢溶解于金属的过程分为四个阶段[1]，如图2-1：（1）气体分子向金属表面扩散；（2）在金属表面上分子的吸附、分解和化学吸着；（3）由化学吸着层向晶格中的原子转移；（4）金属晶格中原子的转移。
图2-1 氢在金属中溶解时的连续阶段图Fig.2-1 The continuous phase of dissolved hydrogen in the metal 氢从钢中析出则由三个连续过程组成：（1）溶解的氢由金属内部向表面迁移（扩散阶段）；（2）原子状态氢逸出金属表面并形成氢分子；（3）氢分子从金属表面解吸进入气相。
对加氢反应器氢脆性能进行研究，需模拟现实环境对试样进行充氢，常用的充氢方法有：1）室温气相充氢法：将试样直接置于室温下的高纯氢中，氢将按吸附、溶解、扩散的过程进入试样。
根据物理、化学吸附的规律及氢溶解的规律，氢压越高氢进入试样的速度越快，时间越长氢进入试样的量越多。
由于这种充氢方法，即使采用很高的氢压能进入材料的氢含量也只有1wppm或则更低，而加氢反应器实际氢压在2-6wppm之间。
因此室温气相充氢对于2.25Cr-1Mo钢来说不合适。
2）高温高压充氢：高温高压充氢需要在高压釜中进行，如图2-2所示，在高温高压下始终保持高压釜内的氢浓度，实验室不具备这样的条件，而且从安全的角度来看也存在很大的隐患。
高温高压充氢最大的问题是，充氢结束后将试样从高压釜中取出需要先降温降压，这个过程需要一定的时间，等试样可以取出时，大量的氢会从试样中逸出，这就使试样内部不能保证一个固定的氢浓度。
图2-2 高温高压气相充氢原理Fig.2-2 Gas hydrogen charging principles under high temperature and pressure 3）化学腐蚀充氢：化学腐蚀就是将试样泡在腐蚀溶液中，使氢原子往试样内部进行扩散，化学腐蚀充氢在实验室还是比较容易实现的，存在的问题是化学腐蚀充氢需要进行很长一段时间，这样必然使整体实验的周期加长，而且化学腐蚀充氢会产生大量的H2S气体，对实验人员身体伤害较大。
4）电化学充氢：电化学充氢是将试样（M）放置在电解池的阴极，铂片做阳极，利用电解过程的阴极效应使氢进入金属内部。
电解液中电离出来的H+在阴极获得电子，形成氢原子而吸附在阴极表面，吸附的氢原子(H·M) 一部分通过去吸附扩散进入试样(即H·M→M·H→M+H)；另一部分在试样表面复合成氢分子，变成H2气泡逸出电解液(即2H·M→H2·M→H2+ M)。
电解充氢时，电解液的组分、充氢电流密度、充氢时电解液的温度以及试样自身的材质状况等对充氢的效果都有影响。
因此必须确定合适的针对铬钳钢材料的电化学试验条件。
根据以上分析和前人的研究，电化学充氢具有以下优点：1）可以获得较高的氢浓度。
在正常操作情况下，加氢反应器在高温高压氢介质的工作条件下，氢在钢中的溶解度为2-6ppm 水平，用电化学充氢方法，钢中的氢浓度可以达到10ppm 以上，相对其实际工况更苛刻。
2）可以控制电流大小、充氢时间、充氢温度等条件，方便的获得实验所需的氢浓度。
3）操作简单、安全隐患小，设备成本比较合理，结构简单，试验费用低。
4）与高温高压充氢相比，获得所需氢浓度的时间相对较短。
以上表明，用电化学充氢方法可获得比实际工况条件苛刻的氢浓度，更能模拟反应器的停工状态，故该方法更适合加氢反应器氢脆的研究。
2.2电化学充氢原理氢渗透是在金属膜表面和金属膜内进行的一系列连续过程[1]。
它本身包括吸附、吸收、扩散和解析过程，其步骤如下：1）水化的氢离子从溶液中通过迁移到达阴极的双电层；2）水化的氢离子从溶液中通过迁移到达阴极的表面：++22(H H O)(H H O)⋅−−−→⋅迁移溶表面 （2-1）3）进行失水反应：++22(H H O)H O H ⋅→+ （2-2）4）进行放电反应：+H e H -+→ （2-3）5）原子氢吸附在金属表面：M+H M H →⋅吸 （2-4）这里M 表示阴极金属试样。
吸附在阴极表面的原子氢有两种去向，一种是进入试样内部，即6—8的过程；另一种是通过复合变成分子氢H 2，它吸附在金属的表面上，然后通过去吸附变成H 2气泡放出，即6*—9*的过程：6） 吸附的共价型原子氢通过溶解，变成溶解型吸附原子：H M M H ⋅→⋅溶共 （2-5）7） 溶解型原子氢通过去吸附，变成溶解在金属中的原子氢：M H M+H ⋅→溶 （2-6）8）处在表面附近的原子氢通过扩散，进入试样内部：H H −−−→扩散表内 （2-7）6*）原子氢变成溶解型吸附原子：H M M H ⋅→⋅溶共 （2-8）7*）去吸附成为金属中的间隙原子：M H M+H ⋅→溶 （2-9）8*）吸附的原子氢复合成分子氢，吸附在金属表面：2H M+H M H M+M ⋅⋅→⋅ （2-10）2H M+H H M ⋅→⋅ （2-11）9*) 分子氢去吸附以氢气泡方式逸出：22H M M+H ⋅→ （2-12）2.3充氢装置的设计过去使用的充氢装置[2]采用的是单线充氢，即每条线路上只有一个试样和铂片。
这种充氢方法具有很多其他充氢方法所不具备的优点，比如充氢量大，实验室操作简单，电流和温度等主要影响因素容易控制等。
但是针对本文所做的研究，它也有一定的局限性和不足，单线充氢必然需要对先冲氢的试样进行保存，待一组试样充氢结束后再进行冲击试验，采用液氮保存，在保存的过程中难免会有氢的逸出，为此本文对上述装置进行改进。
与单线充氢装置不同，本文采用的是串联电路电化学充氢装置，即将每一回路中串联3个试样和铂片。
在串联电路中，电路中的电流为一个定值，这正好符合需要输出恒定电流进行电化学充氢的要求，具体的原理图如下图2-3 。
由于是首次采用这样的充氢装置进行电化学充氢，本文对其进行了一系列的实验，以确保其充氢的可靠性。
（a）串联电路电化学充氢装置原理图（b）串联电路电化学充氢装置实物图图2-3 串联电路电化学充氢装置Fig.2-3 Electrochemical hydrogen charging device with series circuit 2.3.1试验装置电化学充氢主要试验设备有：（1）电解槽（2）稳压电源（3）保温桶（4）恒温水浴锅（5）甘油测氢仪2.3.2冲击试样充氢参数的测定（1）温度的影响考虑到实验室充氢可操作性以及参照文献[3]的研究，本文采用常温下充氢。
（2）充氢时间的影响采用充氢装置对试样进行常温下不同时间的充氢，电流取：0.07A ，数据如表2-1。
表2-1不同时间下的氢含量Table 2-1 Hydrogen content in different times时间（h ）50 93 106 130.5 144 168 氢含量（ppm ）1.89 3.15 3.78 5.46 5.80 5.91氢含量（p p m ）时间（h）图2-4 时间对氢含量的影响Fig.2-4 Effects of time on hydrogen content从图2-4来看：随着充氢时间的增加，氢含量在不断的增大，但是时间增加到144小时以后氢含量增长的幅度基本平稳，根据试验结果本文所选充氢时间为144h 。
（3）充氢电流的影响采用充氢装置对试样进行常温下不同电流下充氢，时间为144h ，数据如表2-2。
表2-2不同电流下的氢含量Table 2-2 Hydrogen content in different current电流（A ）0.01 0.02 0.05 0.07 0.10 0.12 氢含量（ppm ）1.51 1.82 3.21 5.80 5.91 5.98氢含量（p p m ）电流（A）图2-5电流对氢含量的影响Fig.2-5 Effects of current on hydrogen content从图2-5来看：电流越大氢含量也越大直至达到一个稳定值，本文综合考虑选择0.07A 。
终上所述，冲击试样充氢参数为：温度：常温（20℃）；电流：0.07A ；时间：144h 。
2.3.3俄歇试样充氢参数的测定由于充氢电流大小和试样的尺寸有关，经计算俄歇试样充氢参数为温度：常温（20℃）；电流：0.02A ；时间：144h 。
2.3.4 不同试样充氢量的比较虽然串联电路上的电流为恒定值，但是具体在电路不同位置的试样充氢后的氢含量还需要进一步进行测定。
利用自制甘油测氢仪对同一串联电路中充氢后的试样进行测试，测试结果如表2-3。
充氢参数为温度：常温（20℃）；电流：0.07A ；时间：144h 。
表2-3 不同试样的氢含量Table 2-3 Hydrogen content of different test samples试样编号 1﹟ 2﹟ 3﹟氢含量（ppm ） 5.80 5.76 5.81通过测试结果可以发现，串联电路上的试样充氢量差别较小，能满足试验的要求。
2.4本章小结通过比较4种不同的充氢方式，本文的研究选用了电化学充氢，并且对充氢方式进行了一定程度的改进，采用串联电路进行电化学充氢。
该方法在保证充氢浓度的同时提高了充氢的效率，缩短了实验周期，并且充氢后的试样无须保存，避免了氢在保存过程中逸出，更能准确地反映氢对加氢反应器材料回火脆化的影响。
通过一系列的实验得出最近充氢方案：（1）冲击试样：温度：常温（20℃）；电流：0.07A；时间：144h。
（2）俄歇试样：常温（20℃）；电流：0.02A；时间：144h。
参考文献[1] 陈永定, 余新昌等编译. 金属和合金中的氢, 冶金工业出版社, 1998.[2] 华丽, 朱奎龙, 王志文等. 2-1/4Cr-1Mo钢抗氢脆性能的研究[J]. 华东理工大学学报, 2003, 29(6)：621-624.[3] 华丽. 加氢反应器用2-1/4Cr-1Mo钢材质脆化的研究[D]. 上海：华东理工大学, 2000.。
制氢装置操作规程
制氢装置操作规程制氢装置是一种用于制备氢气的设备，在使用时应严格遵守以下操作规程，以确保安全、高效地进行实验和生产。
一、制氢装置的基本操作步骤1.将电解槽中的水倒入烧杯中，加入几滴pH试剂，并用漏斗将水倒回电解槽中，直到电解槽中水的量充足。
2.打开电解槽底部的进水阀门，将水流入电解槽中，直至电解槽中的水位超过电解槽最低电极的位置。
3.将氢气收集管连接到电解槽的气体产生口，并将氢气收集瓶放入水中，让水位高于氢气收集管中的水位。
4.打开电源开关，设定适当的电流和电压，开始电解。
5.在电解的过程中，定期检查水位和氢气收集管中的气体量，避免电解槽中的水位过高或气体收集管中的气体量过大。
6.在制备氢气后，关闭电源开关和进水阀门，卸下收集瓶和氢气收集管，将装置清理干净。
二、制氢装置的安全操作注意事项1.在使用制氢装置前，应仔细阅读操作手册，并根据手册中的指导进行操作。
2.加入水和试剂时，应小心谨慎，避免操作不当导致水和试剂的溅出和浪费。
3.在电解过程中，应严格按照设定的电流和电压进行操作，避免设定过高或过低的电流和电压带来的安全隐患。
4.定期检查电解槽和电源电路等部件的接线和运行状态，避免发生漏电、短路等安全问题。
5.对于不明白的问题，应及时向专业人士咨询，避免因为操作不当而发生意外事故。
三、制氢装置的日常维护方法1.在制备氢气后，应及时关闭电源开关和进水阀门，并且将电解槽中剩余的水和试剂清理干净，以避免水和试剂污染环境。
2.定期清洗电解槽和氢气收集管等部件，防止氢气污染或设备受到腐蚀。
3.对于设备中出现故障或需要更换部件时，应及时联系专业人士进行检修和更换。
4.定期进行维护保养，确保设备的运行状态良好，延长使用寿命。
四、制氢装置的故障处理方法1.发现电解槽中电流过大或气体产生量异常时，应立即停止操作，排除故障原因，并做好记录。
2.对于电解槽内径变小、氢气收集管出现堵塞等情况，应及时进行清洗和维护。
3.如出现电源电路短路、漏电等故障，应立即断开电源并联系专业人士进行修理。
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3 电解液循环量控制在正常值；
4 密切监视气体纯度；
5
按时测量小室电压，测电压时注意电极方向，且不能让电压
表某一极棒的触头同时接触两片极板造成短路；
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6
电解槽上一定要清理干净，不得有金属物和碱液等导电介
质，周围不能放置其它金属物品，以防不慎落在槽体上造成小室短
路；
7 定期清洗过滤器，清除滤网上的石棉绒毛和其它杂质；
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此时： 阳极反应：4 OH一—4e = 2 H2O + O2 阴极反应：4 H2O + 4e = 2 H2 ↑ + 4 OH总反应 2 H2O = 2 H2 ↑ + O2 ↑
从反应方程式得出： 1 水电解时，产生一份氧气和两份氢气。 2 加入KOH或NaOH只起导电作用，在电解过程中不被消耗。
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第二章 水电解制氢装置组成
一、电解槽分类：
1、单极性电解槽：单极电解槽是由外部并联若干个电解 槽组成的。而单元电解槽由若干个彼此交替的、彼此平行的 阳极版和阴极版组成。对于一个电极而言只能做阳极或阴极。 单极性电解槽安装、维修简便，效率低，体积大。
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9、在建筑材料和轻工业中，如玻璃和人造宝石的制造和加工， 氢气被广泛地用作燃烧气和保护气。 氢气优点：便于储存和运输，对环境无污染，被誉为“清洁”的新 能源。
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三、氢气制取方法
1、水电解：设备体积小，流程简单，纯度高，杂质少，无污染； 但能耗高，产量小。
2、氨分解：产气量大，但纯度不高。 3、甲醇、天然气裂解：能耗低，产气量大，杂质复杂，不易分 离。
系列水电解制氢装置安装使用说明书
CNDQ 系列水电解制氢装置安装使用说明书（微机控制）目录第一章概述1.水电解制氢装置工作原理 (1)2.水电解制氢装置用途与技术参数 (1)3.水电解制氢装置用途与技术参数 (2)4.水电解制氢装置工艺流程 (3)第二章安装1.制氢站 (4)2.工艺部分 (5)3.控制部分 (6)4.整流部分 (7)5.配电装置 (7)第三章操作规程1.工艺系统开机前的准备 (8)2．整流装置开机前的准备 (9)3．自控开机前的准备 (10)4．稀碱试车 (10)5．浓碱正式运行 (12)第四章设备维护安全事项与故障排除1．设备维护 (12)2．安全注意事项 (13)3．故障及排除方法 (14)附录一 ZDQ系列水电解制氢装置带控制点的工艺流程图附录二 KOH水溶液温度比重对照表 (18)附录三用户自备件清单 (19)附录四系统控制参数整定值参考 (21)附录五报警连锁一览表 (22)第一章概述1．水电解制氢装置工作原理水电解制氢的原理是由浸没在电解液中的一对电极中间隔以防止气体渗透的隔膜而构成的水电解池,当通以一定的直流电时,水就发生分解,在阴极析出氢气,阳极析出氧气。
其反应式如下: 阴极：2H2O＋2e→H2↑＋2OH-阳极: 2OH-－2e→H2O＋1/2O2↑总反应: 2H2O→2H2↑＋O2↑产生的氢气进入干燥部分，由干燥剂吸附氢气携带的水分，达到用户对氢气湿度的要求。
本装置干燥部分采用原料氢气再生，在一干燥塔再生的同时，另一干燥塔继续进行工作。
2．水电解制氢装置的用途与技术参数表1制氢装置主要技术参数表2.1 设备的用途CNDQ系列水电解制氢干燥装置是中国船舶重工集团公司第七一八研究所新研制成功并独家生产的全自动操作的制氢干燥设备,其主要技术指标达到或超过九十年代末世界先进水平,适用于化工、冶金、电子、航天等对氢气质量要求高的部门,是目前国内最先进的并可替代进口的制氢设备。
2.2 主要技术参数CNDQ5～10/3.2型水电解制氢干燥装置的主要技术参数如表1本装置采用微机控制，对本装置的主要的主要参数：压力、温度、氢氧液位差可进行自动调节;对干燥器的再生时间及再生温度进行自动控制。
水电解制氢装置范文
水电解制氢装置范文
1.引言
2.设计原理
3.设计步骤
3.1电解槽设计
电解槽由两个电极（阳极和阴极）和一个电解质溶液组成。
阳极通常
采用铂、钽等耐腐蚀材料制成，阴极通常采用不锈钢制成。
电解质溶液可
以选择酸性溶液如稀硫酸或碱性溶液如氢氧化钾溶液。
电解槽应具备良好
的密封性和耐腐蚀性。
3.2电源设计
电源为电解槽提供直流电能，可以选择直流电源或太阳能电池板等可
再生能源。
电源应具备稳定的输出电流和电压，以保证电解过程的稳定性。
3.3气体分离器设计
气体分离器用于将电解槽中的氧气和氢气分离开来。
可以采用膜分离
技术或吸附剂分离技术，如使用聚合物膜或分子筛材料进行分离。
气体分
离器应有良好的分离效果和高气体纯度。
3.4储氢罐设计
储氢罐用于储存制得的氢气。
可以选择金属储氢材料如镁合金、钛合
金等或高压气瓶等储存方式。
储氢罐应具备较大的储氢容量和良好的密封性。
4.工作原理
在电源的作用下，电解槽中的水分子被电解成氢气和氧气。
电解槽中的阴极释放氢气，阳极释放氧气。
气体分离器将氢气和氧气分离开来，氢气进入储氢罐储存，而氧气则排放到大气中。
5.结束语。
制氢装置操作说明书
DQ-10(5)/3.2型中压水电解制氢装置使用说明书第一册注意1.现场管道安装时，氢气管路必须先做脱脂处理。
所有管道安装完毕后，整个系统必须先用清水冲洗干净，再采用无油氮气、以不小于20 m/s的流速进行吹扫，直至出口无铁锈无尘及其他杂物。
2.插焊球阀需现场安装时，则应在球阀点焊后解体，焊接好后再将球阀按解体反顺序组装好。
截止阀需现场焊接时，则应先把截止阀打倒全开位，再进行焊接。
目录一. 概述:1. DQ-10(5)/3.2型制氢型号说明2. 水电解制氢设备工作原理3. 水电解制氢设备用途与性能4. 水电解制氢设备包括范围5. 水电解制氢设备主要结构二. 系统介绍及设备安装1. 工艺流程介绍2. PLC自控系统介绍(参看第二册)3.设备安装三. 设备调试操作1. 调试前准备1）.检查安装情况2）.制氢机清洗3）.气密试验4）.碱液的配制5）.其它准备工作2. 设备试机四. 设备的操作规程1. 开机操作顺序2. 定期巡视及维护3. 正常情况下停机4. 非正常情况下停机5. 安全注意事项6. 常见故障及排除方法一.概述1、DQ-10(5)/3.2型制氢设备型号说明工作压力(Kg/cm2)氢气产量(Nm3/h)水电解制氢设备2、水电解制氢设备工作原理将直流电通入强碱的水溶液,使水电解成为氢气和氧气。
其反应式为: 阴极上: 4H2O+4e→2H2↑+4OH阳极上: 4OH─―4e→2H 2O+O2↑总反应式: 2H 2O=2 H2↑+ O2↑3、水电解制氢设备用途与性能（1）用途DQ-10(5)/3.2型中压水电解制氢设备是用于氢冷发电机的制氢设备，同时也可用于电子、化工、冶金、建材等行业作为制氢或制氧设备。
（2）设备主要技术性能如下:1).氢气产量：10(5)Nm3/h (20℃,1atm)2).氧气产量： 5(2.5)Nm3/h3).氢气纯度：≥99.9%4).氧气纯度：≥99.2%5).氢气含湿量: ≤4g/Nm3 (经过洗涤分离后)6).系统工作压力：3.14MPa(也可在0.8-3.14 MPa之间的任何压力下运行)7).氢、氧分离器液位差：±20mm8).电解槽小室总数： 62(34)个9). 小室电流: 370A10).电解槽额定电压：62V～72V（30V～42V）11).电解槽总电流：740A12).电解槽工作温度：≤90︒C13).电解槽直流电耗：4.8KWh/Nm3H214).电解液:26%NaOH或30%KOH15).氢气干燥量： 10（5）Nm3/h16).干燥后氢气湿度:露点≤-50︒C ,绝对湿度≤0.0291g/m317).干燥器工作温度:1.干燥:室温 2.再生:160︒C～230︒C18).干燥器工作周期:24小时19).干燥器额定功率:2.2KW(3).制氢装置使用条件1).设备布置在室内2).原料水：蒸馏水，要求电阻率＞105Ω.cm，氯离子含量＜2g/m3，铁离子含量＜1g/m3，悬浮物＜1g/m3，用量: 10（5）Kg/h。
氢气发生器内部构造
氢气发生器内部构造氢气发生器是一种能够产生氢气的装置。
氢气发生器的内部构造主要分为三部分，分别是电解槽、电解液和电源设备。
本文将围绕这三个部分展开阐述，让大家了解氢气发生器的工作原理和内部构造。
第一部分：电解槽电解槽是氢气发生器内部构造的核心部分，其主要作用是将水分子分解成氢气和氧气。
电解槽一般采用板式电解槽，其结构简单，易于维护。
电解槽内部由两个电极板组成，分别是阴极和阳极。
在电解槽中加入适量的电解质，在通电的情况下，水分子在电解质的作用下分解成氢和氧，其中氢通常在阴极上析出，而氧则在阳极上析出。
第二部分：电解液电解液是氢气发生器内部的重要组成部分，其主要作用是承载电解反应。
常见的电解液有氢氧化钠、氢氧化钾等强碱性电解液。
电解液的浓度和种类的选择将直接影响电解槽的电解效率和氢气产生量。
除了强碱性电解液，还有一种比较特殊的电解液——无水硫酸，该电解液可以在低温下稳定存在，并且具有高电导率和高电解效率，但相较于强碱性电解液而言，无水硫酸对设备的腐蚀性较强。
第三部分：电源设备电源设备是氢气发生器内部构造的另一个重要部分，其作用是为电解槽提供直流电源。
一般使用的电源设备有蓄电池、转换器等，具体的应用视实际情况而定。
在电源设备方面，还需要注意一些安全问题。
为了保证设备的安全性，应该使用具有过流保护和过压保护功能的电源设备，避免因电源异常而导致的危险情况。
总结：以上就是氢气发生器内部构造的主要部分。
通过对氢气发生器内部构造的这些部分的分析，我们可以了解到氢气发生器的工作原理以及具体运作方式。
同时，在使用氢气发生器的过程中，我们也应该根据实际情况选择合适的电解液和电源设备，保证设备的安全性和稳定性。
高中化学必修课----《电化学》单元复习知识讲解及巩固练习题(含答案解析)
电镀池 应用电解原理在某些金属表面镀 上一层其他金属（或合金）的装 置
装置 举例
①活泼性不同的两电极（连 ①两电极接直流电源
①镀层金属接电源正极。镀件（待
接）
②两电极插入电解质溶液
形成
②电解质溶液（电极插入其 ③形成闭合回路
条件
中并与电极自发反应）
镀金属）接电源负极 ②电镀液必须含有镀层金属离子 （电镀过程浓度不变）
相对原子质量小。
附：用惰性电极电解下列电解质溶液变化情况简析
类型
电极反应特点
实例 电解物质 电解质 pH
电解质
溶液浓度
溶液复原
电解水型 阴极：2H++2e－＝H2↑ 阳极：4OH－－4e－＝2H2O+O2↑
电解 电解质电离出的阴、阳离子分别
NaOH H2SO4 Na2SO4 HCl
水 水 水 电解质
③形成闭合回路
负极：较活泼金属（电子流 阳极：与电源正极相连的极 名称同电解池，但有限制条件
电极 出的极）
阴极：与电源负极相连的极 阳极：必须是镀层金属
名称 正极：较不活泼金属或能导
阴极：镀件
电的非金属（电子流入的极）
负极：发生氧化反应，失电 阳极：发生氧化反应，溶液 阳极：镀层金属电极失电子（溶
子
量不变，则此电极上一定有气体产生，且该气体一定是 H2。 4、溶液中，若阳离子的放电能力强于 H+，而阴离子的放电能力强于 OH－时，电解的实质是：电解电解
质本身。
5、溶液中，若阳离子的放电能力强于 H+，而阴离子的放电能力弱于 OH－时，电解的实质是：电解质的
阳离子和水电离出的 OH－放电，溶液的 pH 一定变小。如电解 CuSO4 溶液。 6、溶液中，若阳离子的放电能力弱于 H+，而阴离子的放电能力强于 OH－时，电解的实质是：电解质的
电化学原理第二章
23:40:27
原电池表示法： (1)负极在左边，正极在右边，中间溶液。注明活度、浓度、 分压等物态 (2)两相用“|”或“，”表示；盐桥用“||” (3)注明惰性金属种类 (4)上述写法可注明电池反应温度，电极正、负极性，且自发 进行时电池电动势为正值。
• (-) 电极a 溶液(a1) 溶液(a2) 电极b (+) • 阳极 E • 电池电动势: 阴极
ф称为M相的 内电位
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（2）为克服试验电荷与组成M相的物质之间的短程力作用 （化学作用）所作化学功。 进入M相的不是单位正电荷，而是1摩尔带电粒子，其 所做化学功为其在M相中的化学位 i。若该粒子荷电量为 ne0，则一摩尔粒子所做电功为nF ф ，F为法拉第常数，则 有
i i nF
在298.15 K 时，以水为溶剂，当氧化态和还原态的活度等 于1 时的电极电位称为：标准电极电位。
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标准电极电势表
利用上述方法,可以测得各个电对的标准电极电势,构成 标准电极电势表。
电 对
电 极 反 应
电极电势(V)
K+/K K++e- K Zn2+/Zn Zn2++2e- Zn H2 H+/H 2H++2eCu2+/Cu Cu2++2e- Cu F2/F F2+2e- 2F23:40:27
-2.931 -0.7618 0.0000 +0.3419 +2.866
23:40:27
五、液体接界电位与盐桥
液体接界电位:在两种不同离子的溶液或两种不同浓度的溶 液接触界面上，存在着微小的电位差，称之为液体接界电 位。 液体接界电位产生的原因：正、负离子不同的扩散速度使 界面处形成双电层，产生一定电位差, 液界电位也可叫做扩 散电位。用符号j表示，见图。
高一化学人教版必修二第二章第2节《化学能与电能》知识点总结
第2节 化学能与电能一、能源的分类1.化学能间接转化为电能(在能量的转化过程中存在能量的损失)—比如火力发电 ①转化过程火力发电是通过化石燃料的燃烧,使化学能转化为热能,加热水使之汽化为蒸汽以推动蒸汽轮机,然后带动发电机发电.燃煤发电是从煤中的化学能开始的一系列能量转化过程.化学能−−→−燃烧热能−−→−蒸汽机械能−−→−发电机电能 ①转化原理燃烧(氧化还原反应)是使化学能转化为电能的关键.因此燃烧一定发生氧化还原反应,氧化还原反应必定有电子的转移,电子的转移引起化学键的重新组合,同时伴随着体系能量的变化. 拓展点1:火力发电的优缺点优点:①我国煤炭资源丰富①投资少,技术成熟,安全性能高缺点:①排出大量的能导致温室效应的气体CO 2以及导致酸雨的含硫氧化物,比如SO 2①消耗大量的不可再生的化石燃料资源①能量转化率低①产生大量的废渣、废水.2.化学能直接转化为电能(在能量的转化过程中不存在能量的损失)—原电池(将氧化还原反应所释放的化学能直接转化为电能)(1)原电池的工作原理实验现象产生的原因分析2+会逐渐溶解,而由Zn失去的电子则由Zn片通过导线流向Cu片,因此Zn片上会带有大量的正电荷,Cu片上会带有大量的负电荷,而电解质溶液中含有阳离子(H+、Zn2+)以及阴离子(OH-、SO42-),由于正负电荷相互吸引,所以电解质溶液中的阳离子会移向Cu片去中和Cu片上带负电荷的电子,阴离子则移向Zn片去中和Zn片上的正电荷,但是由于溶液中的H+得电子能力比Zn2+强,所以H+就移向Cu片去获得Cu片上由Zn片失去的电子而被还原为H原子,H 原子再结合成H分子即H2从Cu片上逸出,因此Cu片上有无色气泡产生.通过电流表指针发生偏转并且指针偏向于Cu片这一边,可以得出该装置产生了电流(而电流的形成是因为电子发生了定向移动),并且电流移动的方向与电子移动的方向相反,所以电流是从Cu片流出,Zn片流进,即Cu片作为正极;Zn片作为负极.原电池工作原理的总结归纳:①原电池中电流的流向:正极→负极①原电池中电子的流向:负极→导线→正极(注意:在该过程中,电子是永远都不会进入到电解质溶液中,因为电子只在金属内部运动并且电解质溶液中的自由移动的阴阳离子也不能在导线中通过)①原电池中电解质溶液中阴、阳离子的移动方向:阳离子→正极阴离子→负极①原电池工作原理的本质:发生自发的氧化还原反应即将氧化还原反应的电子转移变成电子的定向移动,将化学能转化为电能的形式释放.(所谓自发就是指该氧化还原反应不需要借助外在的力量即本身就能够自己发生)①原电池中的负极发生氧化反应,通常是电极材料或还原性气体失去电子被氧化,电子从负极流出;原电池的正极发生还原反应,通常是溶液中的阳离子或O2等氧化剂得到电子被还原,电子流入正极.(2)原电池的构成条件(两极一液一回路,反应要自发)①两极:正极和负极是两种活泼性不同的电极材料,包括由两种活泼性不同的金属材料构成的电极或者是由一种金属与一种非金属导体(如石墨)构成的电极,一般活泼性较强的金属作为负极.①一液(电解质溶液):包括酸、碱、盐溶液.①一回路(构成闭合的电路):即两电极由导线相连或直接接触以及两电极必须插入到同一种电解质溶液中或者分别插入到一般与电极材料相同的阳离子的两种盐溶液中,两盐溶液之间用盐桥相连形成闭合回路.比如以下装置:①氧化还原反应要自发:指电解质溶液至少要与作为负极的金属电极材料发生自发的氧化反应.(3)电极反应式①定义:原电池中的正极和负极所发生的反应①电极反应式的书写方法:补充:复杂电极反应式的书写如CH4碱性燃料电池负极反应式的书写:CH4＋2O2＋2OH－===CO2－3＋3H2O……总反应式2O2＋4H2O＋8e－===8OH－……正极反应式CH4＋10OH－－8e－===7H2O＋CO2－3……负极反应式注意:①电极反应式的书写必须遵守离子方程式的书写要求,比如难溶物、弱电解质、气体等均应写成化学式形式.①注意电解质溶液对正、负极反应产物的影响.如果负极反应生成的阳离子能与电解质溶液中的阴离子反应,则电解质溶液中的阴离子应写入电极反应式中,例如Fe与Cu在NaOH溶液中形成原电池,负极反应式为:Fe+2e-+2OH－=Fe(OH)2.三、原电池的应用(1)比较金属的活动性强弱①原理:一般原电池中活动性较强的金属作负极,活动性较弱的金属作正极.①应用:比如A、B两种金属用导线连接或直接接触后插入到稀H2SO4电解质溶液中,若A极溶解,B极有气泡产生,由此可判断A是负极,B是正极,活动性:A>B.(2)加快氧化还原反应的速率①原理:在原电池中,氧化反应与还原反应分别在两极进行,溶液中的粒子运动时相互间的干扰小,从而使化学反应速率加快.①应用:比如实验室中用Zn和稀H2SO4制取H2时,通常滴入几滴CuSO4溶液,能够加快产生H2的速率.原因在于Zn 与置换出的Cu构成了原电池,加快了反应的进行.(3)防止金属被腐蚀(比如要保护一个铁闸,可用导线将其与一Zn块相连,使Zn作原电池的负极,铁闸作正极)补充:金属腐蚀①定义:指金属或合金与周围接触到的气体或液体发生化学反应,使金属失去电子变为阳离子而消耗的过程.②金属腐蚀的分类:化学腐蚀和电化学腐蚀在金属腐蚀中,我们把直接发生氧化还原反应且不构成原电池的腐蚀称为化学腐蚀;而由不纯的金属与电解质溶液接触时形成的原电池反应而引起的腐蚀称为电化学腐蚀,电化学腐蚀又分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀:在潮湿的空气中,钢铁表面吸附一层薄薄的水膜,里面溶解了少量的O2、CO2等气体,含有少量的H＋和OH－从而形成电解质溶液.A.当电解质溶液呈中性、弱碱性或弱酸性时,它跟钢铁里的Fe和少量的C形成了无数个微小的原电池,Fe作负极,C 作正极,因此钢铁发生吸氧腐蚀.电极反应式为:负极(Fe):2Fe-4e-=2Fe2+ 正极(C):O2+2H2O+4e-=4OH－总反应式为:2Fe+O2+2H2O=Fe(OH)2B.当电解质溶液的酸性较强时,钢铁则发生析氢腐蚀.电极反应式为:负极(Fe):Fe-2e-=Fe2+ 正极(C):2H＋+2e-=H2↑总反应式为:Fe+2H+=Fe2+ +H2↑(4)制作各种化学电源(比如制作干电池、铅蓄电池、新型高能电池等)(5)设计制作原电池①设计电路原电池的设计要满足构成原电池的四个条件:(a)由两种活动性不同的金属或由一种金属与其他导电的材料(非金属或某些氧化物)作为电极材料;(b)两个电极必须浸在电解质溶液中;(c)两个电极之间要用导线连接形成闭合回路;(d)有自发进行的氧化还原反应.②电极材料的选择电池的电极必须导电.电池中的负极必须能够与电解质溶液反应,容易失去电子,因此负极一般是活泼的金属材料.正极和负极之间只有产生电势差,电子才能定向移动,所以正极和负极一般不用同一种材料.③电解质溶液的选择电解质是使负极材料放电的物质.因此电解质溶液一般要能够与负极发生反应,或电解质溶液中溶解的其他物质与负极发生反应(如空气中的O2).但是如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥),则左、右两个容器中的电解质溶液一般选择与电极材料相同的阳离子的盐溶液.比如Cu-Zn-硫酸盐原电池中,负极金属Zn浸泡在含有Zn2+的电解质溶液中.④设计示例拓展点2:原电池的正、负极的判断方法(1)根据组成原电池两电极的材料判断:一般是活泼性较强的金属作为负极,活泼性较弱的金属或能导电的非金属作为正极.(2)根据电流方向或电子流动的方向判断:电流方向(在外电路)是由正极流向负极,电子的流动方向是由负极流向正极.(3)根据原电池中电解质溶液内阴、阳离子的定向移动方向判断:在原电池的电解质溶液中,阳离子移向正极,阴离子移向负极.(4)根据原电池两电极发生的反应类型判断:原电池的负极总是失电子发生氧化反应,其正极总是得电子发生还原反应.(5)根据电极质量的变化判断:原电池工作后,X极质量增加,说明溶液中的阳离子在X极(正极)放电,X极活动性弱;反之,X极质量减少,说明X极金属溶解,X极为负极,活动性强.(6)根据电池中的现象判断:若某电极上有气泡冒出,则是因为析出了H2,说明该电极为正极,活动性弱.上述判断方法可简记为:特别提醒:①在判断原电池正、负极时,不能只根据金属活泼性的相对强弱判断,有时还要考虑电解质溶液,比如Mg、Al和NaOH溶液构成的原电池中,由于Mg不与NaOH溶液反应,虽然金属性Mg>Al,但是在该条件下却是Al作负极.因此要根据具体情况来判断正、负极.又比如说Fe、Cu在稀H2SO4溶液中,Fe作负极,Cu作正极;而Fe、Cu在浓HNO3溶液中,Fe作正极,Cu作负极.①原电池的负极材料可以参加反应,表现为电极溶解,但有的原电池(比如燃料电池)负极材料不参加反应;原电池的正极材料通常不参加反应.四、发展中的化学电源1.化学电源的分类2PbSOSO4放电充电锌银蓄电池的负极是锌,正极是Ag电极反应:O+H O+2e- =2Ag+2OH2Ag+Zn(OH)2Zn+Ag2O+H2O放电充电五、燃料电池燃料电池是一种能连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池.燃料电池的最大优点在于能量转化率高,可以持续使用,无噪音,不污染环境.燃料电池的电极本身不参与氧化还原反应,只是一个催化转化元件.它工作时,燃料和氧化剂连续地由外部供给,在电极上不断地进行反应,生成物不断地被排出,于是电池就连续不断地提供电能.(1)氢氧燃料电池2H+O=2H O1)燃料电池正极反应式的书写因为燃料电池正极反应物一般是O2,即正极都是氧化剂—O2得到电子的还原反应,故正极反应的基础都是O2+4e-=2O2-,O2-的存在形式与燃料电池的电解质的状态以及电解质溶液的酸碱性有着密切的联系.①电解质为酸性电解质溶液(如稀硫酸)在酸性环境中,O2-离子不能单独存在,可供O2-离子结合的微粒有H+离子和H2O,O2-离子优先结合H+离子生成H2O.这样在酸性电解质溶液中,正极反应式为O2＋4H++4e-=2H2O.①电解质为中性或碱性电解质溶液(如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液)在中性或碱性环境中,O 2-离子也不能单独存在,O 2-离子只能结合H 2O 生成OH -离子,故在中性或碱性电解质溶液中,正极反应式为O 2＋2H 2O +4e -=4OH -.①电解质为熔融的碳酸盐(如Li 2CO 3和Na 2CO 3熔融盐混和物)在熔融的碳酸盐环境中,O 2-离子也不能单独存在,O 2-离子可结合CO 2生成CO 32-离子,则其正极反应式为O 2＋2CO 2 +4e -=2CO 32-.①电解质为固体电解质(如固体氧化锆—氧化钇)该固体电解质在高温下可允许O 2-在其间通过,故其正极反应为O 2+4e -=2O 2-.2)燃料电池负极反应式的书写燃料电池负极反应物种类比较繁多,可为氢气、水煤气、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可燃性物质.不同的可燃物有不同的书写方式,要想先写出负极反应式相当困难.一般燃料电池的负极反应式都是采用间接方法书写,即按上述要求先正确写出燃料电池的总反应式和正极反应式,然后在电子守恒的基础上用总反应式减去正极反应式即得负极反应式.比如以H 2、C 3H 8为燃料的碱性电池为例说明如下: H 2-2e - =2H +或H 2-2e -+2OH -=2H 2O;C 3H 8−−→−--e 203CO 2−−→−-OH 63CO 32-(3个C 整体从-8价升高到+12价,失去20e -),则有:C 3H 8-20e -+aOH -=3CO 32-+bH 2O,由电荷守恒知a=26;由H 原子守恒知b=17,所以电极反应式为C 3H 8-20e -+26OH -=3CO 32-+17H 2O(3)燃料电池与一次电池、二次电池的主要区别①氧化剂与燃料在工作时不断地由外部供给.①生成物不断地被排出.(4)废弃电池的处理废弃电池中含有重金属和酸碱等有害物质,随意丢弃,对生态环境和人体健康有很大的危害.若把它当作一种资源,加以回收利用,既可以减少对环境的污染,又可以节约资源.因此,应当重视废弃电池的回收.。
第2章1腐蚀的电化学基础电化学腐蚀热力学ppt课件
4Fe（OH）2 + O2 + 2H2O → 4Fe（OH）3↓
第二章 腐蚀的电化学基础电化学腐蚀热力学
§2.1 腐蚀原电池
蓝色、阳极
氧化反应; 正极(Anode): 电势高，电子流入，发生
还原反应。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
例2. 原电池 锌锰干电池结构
NH4Cl, ZnCl2和MnO2 浆状物 正极：石墨 （带铜帽） 负极：锌（外壳）
棕色、铁锈
蓝色、阳极 红色、阴极
第二章 腐蚀的电化学基础电化学腐蚀热力学
§2.1 腐蚀原电池
使用的指示剂的浓度应尽可能低，否则会干扰上述的电极过程。
2Fe - 4e → Fe2+ 阴极过程：4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3↓
例如，过多的K3[Fe（CN）6]，可能发生Fe（CN）63－的还原，消耗 电子，提供阴极过程，而K3[Fe（CN）6]2的沉淀在阳极区，也可能使氧更 难于进入，加速阳极过程。因此K3[Fe（CN）6]的浓度应尽可能低，最好 只显示兰色而无沉淀。
溶解 氧化反应、阳极
氢气析出 还原反应、阴极
将Zn和Cu放入稀硫酸中并用导线相互连接，
就构成Zn-Cu原电池。于是在Zn电极上发生Zn
的溶解，而在Cu电极上析出氢气，两电极间有
电流流动。在电池作用中发生金属氧化反应的