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可逆电极过程

可逆电极过程
可逆电极过程

可逆电池必须具备的条件是:

(1) 电池反应必须可逆

(2) 可逆电池在放电或充电时,电池通过的电流必须为无限小

可逆过程在热力学上本有严格的意义,即控制过程的各种因素均处在平衡态,正向的微小改变所产生的各种效应,在塑向改变时将全部消失,体系恢复原状。有些电极反应能够满足这样的条件,如可逆氢电极、甘汞电极等。这种可逆电极用于试验室测试,如电势滴定、参比电极和测定有机酸的电离常数、络合物的稳定常数等热力学数据,效果都很好。但在电化学中,也常把电极反应由扩散过程主导的称作可逆电极和准可逆电极;在工业界则常把蓄电池的电极称为可逆的。这些都是习惯用法,并非原来意义上的可逆。

可逆电极电势对解决许多电化学及热力学问题是十分有用的。由前一章讨论可知,可逆电池的条件之一是外电路中没有电流通过。但是,许多电化学过程并不是在电流为零的条件下完成的。因此,在这种情况下,不论是原电池的放电还是电解池的充电,都是不可逆的过程。因此,当有限电流通过电极而发生不可逆电极反应的电极过程与可逆电极过程有何区别?不可逆电极电势与可逆电极电势有何不同?这一类问题是电极过程的研究内容。

电化学反应的速率不仅与温度、活度和催化剂材料等因素有关,而且还与电极电位有关,因而电极极化作用构成了不可逆电极过程的动力学特征。本章将从化学动力学的观点讨论电极反应的不可逆行为和规律。

准可逆电极指电荷迁越电极界面发生电子得失这一步骤较易进行的电极反应,即迁越步骤或称活化步骤【迁越系数或称传递系数。反映电极电势对于电极反应的正、逆向反应速率(即电流)影响的一种参数。与化学反应类似,电极反应的各个步骤的正、逆向过程都有势垒,即需要活化能。但作为其核心步骤的电荷迁越相界过程(即活化步骤),其正、逆向过程的活化能将受电极电势的影响】速率与扩散步骤速率相差并不太大的情况,称准可逆电极反应。准可逆,类似可逆之意。

电极反应为可逆的一类电极。可逆有下述三方面的含义。(1)热力学上,指电极界面通过正向微电流所产生的效应在逆向微.电流通过时能完

全消除,电极各相达到平衡,故此种电极的电势又称平衡电势。(2)动力学上,指电极反应交换电流密度i0很大的电极。可根据i0与扩散电流密度id 的对比关系衡量电极的可逆程度,如完全可逆电极(i0>>id)、准可逆电极(i0≈id)、不可逆电极(i0<

在平衡电势下电极反应达动态平衡,其迁越步骤(或称活化步骤)正、反两方向之电流密度相等,|i+|=|i-|=i0,称为交换电流密度。在条件(温度、电极材料及其表面状态、电解液浓度等)固定时,某种电极的i0是确定的,可用它表示迁越步骤的快慢以及电极的“可逆”程度。通常以i0与同一电极反应中极限扩散电流密度i d 的对比关系来衡量其“可逆性”:i0>>i d 称为可逆电极反应,i0≈i d 称为准可逆电极反应,i0<

第8章 可逆电极过程

§8.1 化学反应与电池

有许多化学反应,在一定条件下能够自动进行,将化学能转换成其它形式的能量。对于同一个这样的化学反应,若把它安排在不同的装置中进行,尽管其反应物和产物都分别相同,但其化学能转换成的能量的形式是不同的。例如,锌和硫酸铜溶液的反应

Zn(s)+CuSO 4(m 1)─→ZnSO 4(m 2)+Cu(s)

是一个在常温下能够自动进行的放热反应。如果将锌片直接置于硫酸铜溶液中,图8-1 Zn 与CuSO 4直接反应 图8-2 丹尼尔电池

如图8-1所示,则Zn失去了电子氧化成Zn2+进入溶液,Cu2+直接在Zn片表面上得到电子而还原为金属Cu析出,并放出热量使溶液的温度升高。显然,这样反应的结果是化学能转变成了热能。如果把上述反应安排在如图8-2所示的装置里,用隔膜(防止两种溶液混合,但又能让离子通过,保持电的通路)把Zn和Cu2+隔离开,Zn?把电子留在锌片上变成Zn2+进入ZnSO4溶液,锌片上的电子通过外接导线传到铜片上,Cu2+?在铜片上得到电子而变成Cu析出,而不是直接由锌片上取得电子,这样将Zn的氧化和Cu2+的还原分隔在两处同时进行,就可引出电流而获取电能。显然,这样反应的结果是化学能部分转变成了电能。

象上面这样把化学能转化成电能的装置称为原电池,简称电池。图8-2?就是丹尼尔(Daniell)电池示意图。在电池中进行的化学反应称为电池反应。?它有别于一般氧化还原反应的一个特点是:反应物之间不直接接触,氧化反应与还原反应分别在两个区域进行。一个电池是由两个电极组成的,发生氧化作用的电极电势较低称为负极,发生还原作用的电极电势较高称为正极。一个电池反应是由两个电极反应组成的,在正极上发生的还原反应称为正极反应,在负极上发生的氧化反应称为负极反应。如在丹尼尔电池中,锌片和硫酸锌溶液(称为锌电极)是负极,铜片和硫酸铜溶液(称为铜电极)是正极

负极反应 Zn ─→ Zn2++2e-

正极反应 Cu2++ 2e-─→ Cu

电池反应 Zn + Cu2+─→ Zn2++Cu

将化学反应转化为一个能够产生电流的电池,首要条件是该化学反应是一个氧化还原反应,或者在整个反应过程中经历了氧化还原作用,其次必须给予适当的装置,使反应物之间不直接接触,氧化反应和还原反应分别在两个电极上进行。

§8.2 可逆电池

1. 电池的表示方法

在电化学中,为了书写的方便,电池是用电池表达式来描述的,书写电池表达式时,常采用如下惯例:

①组成电池的物质以化学式表示,并在其后的括号内标明物质的聚集状态,如s(固)、l(液)、g(气)。溶液要标明活度或浓度,数值未知时可只用a或m?表示,水溶液也可用aq表示;气体物质需标明逸度或压力和依附的不活泼金属,逸度或压力未知时可只用f或p表示。

②不同物相的界面用“|”或“,”表示;?半透膜或多孔塞用“┆”表示;

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盐桥用“‖”表示。物相的界面包括电极与溶液的界面、不同溶液间的界面。

③将电池的负极写在左边,电池的正极写在右边,各物质的化学式及符号排列顺序要真实反映电池中各物质的实际接触顺序。

按以上几条惯例,上述丹尼尔电池的表达式是:

Zn(s)|ZnSO4(aq)┆CuSO4(aq)|Cu(s)

电池是由两个电极组成的,电池表达式的两半部分就是电极表达式。如丹尼尔电池中锌电极的表达式是 Zn(s)|ZnSO4(aq),铜电极的表达式是Cu(s)|CuSO4(aq)。

2. 可逆电池的条件

进行热力学可逆过程的电池称为可逆电池。在可逆电池中,恒温恒压过程系统吉布斯函数的变化Δr Gm等于过程中所做的电功W r',此时电池两电极间的电势差可达最大值,称为该电池的电动势E,即

Δr G m=W r'=-zFE (8.2-1) 式中z是电极的氧化或还原反应式中电子的计量系数,是无量纲量。根据热力学可逆过程的概念,可逆电池必须同时满足下述两个条件:

(1) 电池的放电反应和充电反应互为逆反应。电池的放电反应是电池对外界作功时发生的反应;充电反应是将电池接到外界电源上,以与放电时相反的电流通过电池时所发生的反应,它们应是两个相反的反应。例如电池

Pt,H2(p1)|HCl(aq)|Cl2(p2),Pt

当在正、负极间连接上用电器时,电池对外界作功进行放电,电极反应和电池反应分别为:

负极反应 H2(p1)─→2H+(a+)+2e-

正极反应 Cl2(p2)+2e-─→2Cl-(a-)

─────────────────

放电反应 H2+Cl2─→2HCl(aq)

如果把电池的正、负极分别接到一个电压较大的外界电源的正、负极上,这时外界电源对原电池进行充电,电流方向与原来放电时相反,电极反应和电池反应分别为:

负极反应 2H+(a+)+2e-─→H2(p1)

正极反应 2Cl-(a-)-2e-─→Cl2(p2)

──────────────────

充电反应 2HCl(aq)─→H2+Cl2

可见,放电反应与充电反应互为逆反应,此电池有可能成为可逆电池。

再如上述的丹尼尔电池也是如此。

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但是,有些电池的放电反应与充电反应不是互为逆反应,例如电池:

Zn(s)|H 2SO 4(稀)|Cu(s)

就属于这种情况。电池放电时,电极反应和电池反应分别为:

负极反应 Zn(s)-2e -─→Zn 2+

(a Zn2+)

正极反应 2H +(a H+)+2e -─→H 2(p)

─────────────────────

放电反应 Zn(s)+2H +(a H+)─→Zn 2+(a Zn2+)+H 2(p)

电池充电时,电极反应和电池反应分别为:

负极反应 2H +(a H+)+2e -─→H 2(p)

正极反应 Cu(s)─→Cu 2+(a Cu2+)+2e -

─────────────────────

充电反应 2H +(a H+)+Cu(s)─→H 2(p)+Cu 2+(a Cu2+)

显然,充电反应与放电反应不是互为逆反应,这样的电池只能是不可逆电池。

(2) 电池充、放电的过程是热力学上的可逆过程。即要求通过电池的电流趋于零,电池在无限接近于平衡态的情况下工作。只有这样,电能才不会不可逆地转化成热。当电池放电时,它作出最大电功;当电池充电时,它消耗最少的外界电能。若用电池放电时放出的电能对其充电,则恰好使系统和环境都恢复原状。 总之,可逆电池必须同时满足物质的转变是可逆的和能量的转变也是可逆的这两个条件,缺一不可。

实际生产和生活所使用的化学电源,从热力学的要求来说都是不可逆的。一般供测试和科学研究用的电池或多或少带有不可逆性。可逆电池是人们对电池这一事物进行抽象的一种“极限”,只有它才能进行严格的热力学处理,因此是研究实际电池的重要参考。但是我们决不能把“可逆电池”理解成只是一种不能实现的“概念”或“理想”,它在实验室里是完全可以实现的,就看我们对于可逆程度或测量精确度的要求如何。 3. 可逆电极的种类

构成可逆电池的电极必须是可逆电极。在电化学中可逆电极主要有以下几种类型:

(1) 金属-金属离子电极

由金属浸在含有该金属离子的溶液中所形成,常简称为金属电极。若以M?表示金属单质,M z+

表示带z 单位正电荷的金属离子,则金属电极的表达式为 M(s)|M z+(a +)?,电极反应为 M z+(a +)+ze - 作正极

作负极????→←???? M(s)

正反应是还原反应,是作为正极时发生的反应;逆反应是氧化反应,是作为负极时发生的反应。例如将锌插在硫酸锌溶液中就形成了锌电极,电极表达式为 Zn(s)|Zn 2+

(a +),电极反应为 Zn 2+(a +)+2e - 作正极

作负极????→←???? Zn(s)。 (2) 金属汞齐-金属离子电极

是先将金属溶于汞中形成汞齐,再放入含有该金属离子的水溶液中形成的电极,常简称为汞齐电极。碱金属与水反应很激烈,不能直接插在其盐水溶液中,常将其做成汞齐电极。例如,将钠溶于汞中,再放入含有钠离子的水溶液中就形成了钠汞齐电极,电极表达式为 Na(Hg)(a Na )|Na +

(a Na+),电极反应为 Na +(a Na+)+Hg(l)+e - 作正极

作负极????→←???? Na(Hg)(a Na ) 在上述两类电极中,只有金属离子可以迁越相界面。

(3) 铂-非金属-非金属离子电极

由气态、液态或固态非金属与它所生成的离子的溶液所构成,常简称为非金属电极。由于非金属的导电性能很差,故要借助金属铂来承担传输电流的作用。溴电极是液态非金属电极,电极表达式为Pt,Br 2(l)|Br -

,电极反应为 Br 2(l)+2e - 作正极

作负极

????→←???? 2Br -(a -) 碘电极是固态非金属电极,电极表达式为Pt,I 2(s)|I -

(a -),电极反应为 I 2(s)+2e - 作正极

作负极????→←???? 2I -(a -) 对于气态的非金属电极也称为气体电极,常见的气体电极有:

氢电极 在酸性溶液中,表达式为 Pt ,H 2(p)|H +

(m),电极反应为 2H +(a +)+2e - 作正极

作负极????→←???? H 2(p) 在碱性溶液中,表达式为 Pt ,H 2(p)|OH -

(a -),电极反应为 2H 2O(l)+2e - 作正极

作负极????→←???? H 2(p)+2OH -(a -) 氧电极 在酸性溶液中,表达式为 Pt ,O 2(p)|H +

(m),电极反应为 O 2(p)+4H +(a +)+4e - 作正极

作负极????→←???? 2H 2O(l) 在碱性溶液中,表达式为 Pt ,O 2(p)|OH -

(a -),电极反应为

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O 2(p)+2H 2O(l)+4e - 作正极

作负极????→←???? 4OH -(a -) 氯电极 表达式为 Pt ,Cl 2(p)|Cl -

(a -),电极反应为 Cl 2(p)+2e - 作正极

作负极????→←???? 2Cl -(a -) (4) 金属-微溶盐-微溶盐的负离子电极

在金属表面覆盖一层该金属的微溶盐,再浸入含有该盐的负离子溶液中即形成金属-微溶盐-微溶盐的负离子电极,或简称为微溶盐电极。常用的微溶盐电极有:

氯化银电极 表达式为 Ag(s),AgCl(s)|Cl -

(a -),电极反应为 AgCl(s)+e - 作正极

作负极????→←???? Ag(s)+Cl -(a -) 甘汞电极 表达式为 Hg(l),Hg 2Cl 2(s)|Cl -

(a -),电极反应为 Hg 2Cl 2(s)+2e - 作正极

作负极????→←???? 2Hg(l)+2Cl -(a -) 在这一类电极中,还有由金属-微溶金属氧化物或氢氧化物-含有H +或OH -

的溶液所构成的电极,也称为微溶氧化物或氢氧化物电极。例如:

氧化汞电极 在酸性溶液中,表达式为 Hg(l),HgO(s)|H +(a +),电极反应为 HgO(s)+2H +(a +)+2e - 作正极

作负极????→←???? Hg(l)+H 2O(l) 在碱性溶液中,表达式为 Hg(s),HgO(s)|OH -

(m),?电极反应为 HgO(s)+H 2O(l)+2e - 作正极

作负极????→←???? Hg(l)+OH -(a -) 氢氧化镁电极 在碱性溶液中,表达式为 Mg(s),Mg(OH)2(s)|OH -

(a -),?电极反应为 Mg(OH)2(s)+2e - 作正极

作负极

????→←???? Mg(s)+2OH -(a -) 此类电极在电化学中比较重要,因其制备较易,使用方便,一些既能形成第(3)类电极,又能形成此类电极的负离子(如Cl -、OH -

),常制成此类电极使用。

(5) 氧化-还原电极

由惰性金属Pt 插在同种元素形成的不同价态的两种离子(或原子团、分子)共存的溶液中而构成。两种不同价态的离子在惰性金属Pt 的表面上发生氧化-还原反应,并由Pt 承担传输电子的作用。

例如,将Pt 插入含有Fe 2+和Fe 3+的溶液中形成的Fe 2+-Fe 3+

电极,?电极表达式为 Pt |Fe 2+(a 1),Fe 3+(a 2),电极反应为 Fe 3+(a 2)+e - 作正极

作负极????→←???? Fe 2+(a 1) 再如,将Pt 插入含有Cr 2O 72-和Cr 3+的酸性溶液中形成的Cr 2O 72--Cr 3+

电极,?电极表达式为 Pt |Cr 2O 72-(a 1),Cr 3+(a 2),H +(a 3),电极反应为 Cr 2O 72+(a 1)+14H +(a 3)+6e - 作正极

作负极????→←???? 2Cr 3+(a 2)+7H 2O(l) 再如,将Pt 插入含有醌(即对苯醌C 6H 4O 2)和氢醌[即对苯二酚C 6H 4(OH)2]的酸性溶液中形成的醌-氢醌电极,电极表达式为 Pt |C 6H 4O 2(a 1),C 6H 4(OH)2(a 3),H +

(a 3),电极反应为 C 6H 4O 2(a 1)+2H +(a 3)+2e - 作正极

作负极????→←???? C 6H 4(OH)2(a 3) 此类电极中,只有电子迁越相界面。

4. 电池表达式与电池反应式的“互译”

(1) 根据电池表达式写出电池反应式

先分别写出两极的电极反应,配平原子数及电荷,并使两电极反应中的电子数相等,然后再把两个电极反应相加并整理。

例题1 写出下列电池表达式对应的电池反应式

① Ag(s),AgCl(s)|CuCl 2(aq)|Cu(s)

② Pt ,H 2(g)|NaOH(aq)|HgO(s),Hg(l)

③ Pt |Sn 2+(a 1),Sn 4+(a 2)‖Hg 22+

(a 3)|Hg(l)

解: ① 负极反应 2Ag(s)+2Cl -(a -)─→2AgCl(s)+2e -

正极反应 Cu 2+(a +)+2e -─→Cu(s)

──────────────────────

电池反应 2Ag(s)+CuCl 2(aq)─→2AgCl(s)+Cu(s)

② 负极反应 H 2(g)+2OH -(a -)─→2H 2O(l)+2e -

正极反应 HgO(s)+H 2O(l)+2e -─→Hg(l)+2OH -(a -) ────────────────────────

电池反应 H 2(g)+HgO(s)─→H 2O(l)+Hg(l)

③ 负极反应 Sn 2+(a 1)─→Sn 4+(a 2)+2e -

正极反应 Hg 22+(a 3)+2e -─→2Hg(l)

────────────────────

电池反应 Sn 2+(a 1)+Hg 22+(a 3)─→Sn 4+(a 2)+2Hg(s)

(2) 根据电池反应式写出电池表达式

一般是先找出反应中的两个氧化-还原电对,并确定出各电对所对应的电极及表达式,再根据各电对中元素价态的变化确定出正、负极,然后将两电极表达式安排成电池表达式。最后对写出的电池表达式进行验证,以确定其是否正确。

例题2写出下列电池反应式对应的电池表达式

① Fe2+(a1)+Ag+(a3)─→Fe3+(a2)+Ag(s)

② Pb(s)+Hg2SO4(s)─→PbSO4(s)+2Hg(l)

③ Ca2+(a+)+C2O42-(a-)─→CaC2O4(s)

解:①此反应中两个氧化-还原电对分别是Fe3+-Fe2+、Ag+-Ag。?前者对应于氧化-还原电极,电极表达式为 Pt|Fe2+(a1),Fe3+(a2);后者对应于金属电极,电极表达式为 Ag(s)|Ag+(a3)。因为反应式中Fe2+氧化成Fe3+,Ag+还原成Ag,故前者应为电池负极,后者应为电池正极。若两个溶液用盐桥连接,则该电池反应式对应的电池表达式为

Pt|Fe2+(a1),Fe3+(a2)‖Ag+(a3)|Ag(s)

验证:负极反应 Fe2+(a1)─→Fe3+(a2)+e-

正极反应 Ag+(a3) +e-─→Ag(s)

────────────────

电池反应 Fe2+(a1)+Ag+(a3)─→Fe3+(a2)+Ag(s)

与给定反应式一致,写出的电池表达式正确。

②此反应中两个氧化-还原电对分别是PbSO4-Pb、Hg2SO4-Hg,两者对应的都是微溶盐电极,电极表达式分别为 Pb(s),PbSO4(s)|SO42-(a-)、Hg(l),Hg2SO4(s)|SO42-(a-),因为反应式中Pb被氧化,Hg22+被还原,故前者为负极,后者为正极。两者需用的溶液都含有相同的SO42-,可共用一个溶液,则该电池反应式对应的电池表达式为

Pb(s),PbSO4(s)|SO42-(a-)|Hg2SO4(s),Hg(l)

验证:负极反应 Pb(s)+SO42-(a-)─→PbSO4(s)+2e-

正极反应 Hg2SO4(s)+2e-─→2Hg(l)+SO42-(a-)

─────────────────────────

电池反应 Pb(s)+Hg2SO4(s)─→PbSO4(s)+2Hg(l)

与给定反应式一致,写出的电池表达式正确。

③此反应式中看不出各元素有氧化数的变化。?这种情况可以先根据反应物和产物的种类设想出一个与其对应的电极,因反应式中有Ca2+,可先设想用Ca2+和Ca组成金属电极 Ca(s)|Ca2+(a+)[也可以设想用Ca2+组成微溶盐电极 Ca(s),CaC2O4(?s)|C2O42-(a-)],因所给反应式中无Ca,可在两边分别加上Ca,反应式

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变为

Ca2++C2O42-+Ca(s) ─→ CaC2O4(s)+Ca(s)

这时就可以找出两个氧化-还原电对了,它们分别是Ca-Ca2+、CaC2O4-Ca。两者对应的电极表达式分别为Ca(s)|Ca2+(a+)、Ca(s)+CaC2O4(s)|C2O42-(a-)。对于电极Ca(s)|Ca2+(a-),因为Ca2+还原成Ca,故为正极;对于电极Ca(s),CaC2O4(s)|C2O42-(a-),因CaC2O4氧化生成Ca,故为负极。两电极所用的溶液因反应产生沉淀,不能合并为一个溶液,若用盐桥将两个溶液连接,则该电池反应式对应的电池表达式为

Ca(s),CaC2O4(s)|C2O42-(a-)‖Ca2+(a+)|Ca(s)

验证:负极反应 C2O42-(a-)+Ca(s) ─→ CaC2O4(s)+2e-

正极反应 Ca2+(a+)+2e-─→ Ca(s)

──────────────────────

电池反应 Ca2+(a+)+C2O42-(a-)+Ca(s)─→CaC2O4(s)+Ca(s)

即 Ca2+(a+)+C2O42-(a-) ─→CaC2O4(s)

与给定反应式一致,写出的电池表达式正确。

§8.3 电池电动势的测定

电池的电动势是通过电池的电流趋近于零(即两个电极都处于平衡态)时两电极之间的电势差,是个很有用的电化学数据。?电池的电动势不能用伏特计来测量,因为要使伏特计的指针偏转或数字显示,必须有适量的电流通过,这样电池中化学反应就要进行,两电极的平衡状态受到破坏,溶液的浓度不断改变,因而得不到确定数值。另外,电池的内阻也会产生电势降,这样用伏特计测量出的只是两电极间的瞬时电势差而不是电动势。

测量电池的电动势一般采取对消法(或称补偿法),所用的仪器叫电势差计,是按电动势定义中的要求设计的,它与标准电池和灵敏检流计配合使用。

电势差计的简化电路如图8-3所示,AB 为一段带有电势降标度的均匀滑线电阻,它既可以通过可变电阻R与工作电池W构成工作回路,又可以通过灵敏检流计G、双向开关K与标准电池S或待测电池X构成测量回路。

测量分两步进行:一是标定滑线电阻

AB

图8-3 电势差计的简化电路

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上的电势降标度:将活动触头移到AB?上读数等于标准电池S 电动势值的位置C 1,将双向开关K 与标准电池S 接通,迅速调节可变电阻R 直至灵敏检流计G 指示电流为零,此时标准电池S 的电动势与滑线电阻?AB 上AC 1段的电势降等值反向而对消,这样就标定准了AB 上的电势降标度,AB?就可以作为电势降的量具使用了;二是测定待测电池的电动势:将可变电阻R 的触头固定不动,将双向开关K 与待测电池X 接通,迅速在AC 上调节活动触头到某标度处(如C 2点),使灵敏检流计G 指示电流为零,此时待测电池X 的电动势与滑线电阻AB 上AC 2?段的电势降等值反向而对消,C 2点的电势降标度值就是待测电池X 的电动势。

测定电池电动势时所用的标准

电池,其电动势必须精确已知且能

保持长期稳定不变。最常用的是韦

斯顿(Weston)标准电池,它是一种

镉汞电池,其结构如图8-4所示。

正极是汞和硫酸亚汞的糊状物,下

部放有少许纯汞以与引出线保持良

好的接触;负极是约含12.5%Cd 的

镉汞齐。在正极的糊状物和负极的

镉汞齐上部均放有CdSO 4.83H 2O 晶

体及其饱和溶液。韦斯顿标准电池的表达式为

Cd(Hg)|CdSO 4. 83

H 2O(饱和溶液)|Hg 2SO 4(s),Hg(l)

电极反应和电池反应分别为:

负极反应 Cd(Hg)─→Cd 2++2e -

正极反应 Hg 2SO 4(s)+2e -─→2Hg(l)+SO 42+

────────────────────────────── 电池反应 Cd(Hg)+Hg 2SO 4(s) + 83H 2O ─→CdSO 4. 83H 2O(s)+2Hg(l)

电动势E 与温度T 的关系为:

E/V =1.01865-4.05×10-5

(T/K -293.15)

-9.5×10-7(T/K -293.15)2+1×10-8(T/K -293.15)3

可以看出,此标准电池的电动势随温度的变化很小。

图8-4 韦斯顿标准电池

§8.4 电极电势

1. 相间电势差产生的机理

由电池的构成可以知道,电池内部存在着多个相界面,实验证明,在每个相界面两边都存在着电势差,这种电势差称为相间电势差或界面电势差,用符号ε表示。根据物理学可知,对于一个电池,其电动势等于电池内各相间电势差的代数和。例如电池:

Zn(s)|ZnSO4(aq) | CuSO4(aq)|Cu(s)

ε-ε液接ε+

电动势为

E=ε-+ε液接+ε+(8.4-1) ε-、ε+分别表示Zn片与ZnSO4溶液、Cu片与CuSO4溶液的相间电势差,ε液接表示ZnSO4溶液和CuSO4溶液的相间电势差。下面介绍几种相间电势差产生的机理。

(1) 电极与溶液的相间电势差

以金属电极为例。当把金属电极浸入水中后,由于极性很大的水分子与金属表面构成晶格的金属离子相吸引而产生水化作用,相应地减弱了电极表面上的一部分金属离子与电极上其它金属离子之间的键力,加上运动着的水分子的不断碰撞,使得一些金属离子离开电极表面溶解于水中,金属电极因失去金属离子而带上了负电荷,溶液因有金属离子进入而带上了正电荷。这样由电极表面上的电荷层与溶液中多余的反号离子层就形成了双电层。双电层的出现阻碍了金属离子的继续溶解,却加快了溶液中金属离子向电极表面上的沉积。当金属离子的溶解和沉积速率相等而达到动态平衡时,在金属相和溶液相中都有了各自确定的电势,这两相的电势差就是电极与溶液的相面间电势差。

如液体不是纯水,而是含该电极的金属离子的溶液,也会形成电极与溶液的相间电势差。不过这要分两种情况:一是如果金属离子在电极中的化学势大于它在溶液中的化学势,那么金属离子就会从化学势高的电极上转移到溶液中去,电子留到金属电极上,使电极带负电荷,溶液带正电荷。例如将Zn片插到1mol.kg -1的ZnSO

2+的数4熔液中,就属于这种情况。不过这比将Zn插入水中,Zn变成Zn

量要少。二是如果金属离子在电极中的化学势小于它在溶液中的化学势,那么金属离子就会从化学势高的溶液中沉积到金属电极上去,使电极带正电荷,溶液带负电荷。例如将Cu片插入1mol.kg-1的CuSO4溶液中就属于这种情况。

总之,在金属电极与溶液界面上都会产生相间电势差,但其大小及各相所带电荷的性质主要取决于组成电极的金属的种类及溶液中金属离子的浓度。

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应该指出,在双电层中,电极上所带的电荷是集中在电极表面的,而溶液中过剩的带异号电荷的离子,一方面受到电极表面电荷的吸引,趋向于排列在紧靠电极表面附近的溶液中;另一方面,由于热运动,又会向远离电极的方向扩散,当静电吸引与热扩散平衡时,便达到一个相对稳定的分布状态。与金属电极靠得较紧密、排列较整齐的一层称为紧密层,厚度约10-10m 。紧密层外侧较分散的一层称为扩散层,厚度稍大,且与电极表面的电荷密度、溶液的浓度和温度等有关。

(2) 氧化还原电极上的相间电势差

以惰性电极Pt 插入含有Fe 3+和Fe 2+的溶液中组成的氧化还原电极为例。当溶液中Fe 3+的化学势大于Fe 2+的化学势时,Pt 表面溶液中的Fe 3+能从Pt 上取得电子变成Fe 2+,使Pt 电极因失去电子带上正电荷,溶液中因有多余的负离子而带上负电荷,在电极和溶液界面的两边形成了双电层。由于双电层的出现,减慢了Fe

3+取得电子变成Fe 2+的速率,却加快了Fe 2+失去电子到Pt 上变成Fe 3+的速率。当两

个过程的速率相等而达到平衡时,电极和溶液两相都有了各自确定的电势,这两相的电势差就是该氧化还原电极上的相间电势差。同样当溶液中Fe 2+

的化学势大于Fe 3+的化学势时,也会产生相间电势差,只不过此种情况下,Pt 电极上因得到Fe 2+的电子带负电荷,溶液中因有多余的Fe 3+而带正电荷。

(3) 液体接界电势差

由于两种离子扩散速率不同而在两种电解质溶液界面处产生的电势差称为液体接界电势差,也称扩散电势差。

例如浓度相同的NaCl 溶液和HCl 溶液相接触时(如图8-5a),由于在界面两边的Cl

-浓度相同,所以可以认为它不通过界面扩散,但H +、Na +在界面两边的浓度是不同的,H +将通过界面向NaCl 一边扩散,Na +将通过界面向HCl 一边扩散。由于H +的扩散速率比Na +大,故在一定的时间间隔内,通过界面的H +比Na +多,使a 在相同浓度的不同电解质溶液中b 在不同浓度的相同电解质溶液中

图8-5 接界电势差产生示意图

得NaCl溶液中有过剩的正电荷,HCl溶液中有过剩的负电荷。由于异性电荷的静电引力作用,使两溶液中过剩的正、负电荷都比较集中地聚集在界面两边的近处而形成了双电层。双电层的出现降低了H+的扩散速率,却促进了Na+的扩散速率。当两者扩散速率相等,达到动态平衡时,就产生了稳定的液体接界电势差。其大小与两溶液的浓度、两种正离子的迁移速率差有关。

再例如两个浓度不同的NaOH溶液相接触时(如图8-5b),Na+和OH-?将由浓度大的溶液通过界面向浓度小的溶液扩散。由于OH-的扩散速率比Na+的扩散速率大,故在一定时间间隔内通过界面的OH-要比Na+多,使浓溶液中的Na+过剩而带正电荷,?稀溶液中的OH-过剩而带负电荷。当界面两侧带电后,由于静电作用,使OH-通过界面的速率减慢,而Na+通过界面的速率加快。最后达到稳定状态,Na+和OH-?以等速率通过界面,并在界面处形成稳定的液体接界电势差。其大小与两溶液浓度的的差值、正负离子扩散速率的差值都有关。

在研究电池时,常常需要两种组成不同的溶液相接触,而实际的液体接界电势差往往难于计算和测量,同时由于扩散过程的不可逆性,接界电势差的存在要影响电池的可逆性质,很难准确得到电池的可逆电动势。因此,实际工作中要设法使液体接界电势差减少到可以忽略不计的地步。最常用的方法就是在两个不相接触的溶液之间跨接一个盐桥。所谓盐桥,是装满了用琼脂固定的饱和盐溶液的U形玻璃管。制作盐桥用的盐必须是正、负离子的迁移数非常接近的强电解质(如KCl、NH4Cl、KNO3、NH4NO3等),并且不能与电池中的两个电解质溶液发生化学反应。盐桥中的盐在多数情况下用KCl,当盐桥所接触的溶液中有Ag+或其它能和Cl-?形成沉淀的离子时,可用其它电解质。在盐桥与两溶液的接界处,因为盐的浓度远大于两旁溶液中电解质的浓度,界面上主要是盐桥中盐的正、负离子同时向溶液扩散。由于盐的正、负离子的迁移数非常接近,所以在盐桥和溶液的界面上形成的液体接界电势差就非常小,且极性相反,基本可以互相抵消。这样就基本上消除了两溶液直接接触所形成的液体接界电势差。

当电池中的液体接界电势差ε液接用盐桥消除到忽略不计的程度后,由(8.4-1)式可得

E=ε-+ε+ (8.4-2) 即电池电动势的主要来源是电极与溶液的相间电势差ε-和ε+

2. 标准氢电极

从(8.4-2)式可以看出,如果知道了电池中电极与溶液的相间电势差ε-和ε+?的数值,就可以求得电池的电动势。然而,目前尚无法测定单个相间电势差的绝对值,因此,(8.4-2)式不能用来求电池的电动势。但如果将任意电极和标准电极组成电池,测定任意电极的相对电势,也可以计算电池的电动势。选什么

15

样的电极作为确定其它电极的相对电势的标准,可以说是任意的。选用不同的电极作标准,由此确定出来的电极的相对电势也不相同,这样得到的数据就不能通用。为此,1953年国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)统一规定用标准氢电极作为确定其它电极的相对电势的电极,同时也规定了标准氢电极(S.H.E 或N.H.E)的构造和其它电极电势的确定方法,这些通称为斯德哥尔摩规定。

标准氢电极的规定:把镀铂黑的铂片,插入

氢离子活度为1的溶液中,并以标准压力(p 0

)?

的干燥氢气不断冲击铂片,就构成了标准氢电极。

电极表示式为:Pt ,H 2(p 0)|H +(a H+=1)。图8-6

是标准氢电极装置图之一。

镀铂黑的目的是增加电极的表面积,提高对

氢气的吸附作用,同时铂黑电极也起“电催化”

作用,以提高电极上的反应速率,使电极反应容

易达成平衡。 3. 任意电极的电极电势

根据斯德哥尔摩规定,任意电极电势的确定

方法是:将标准氢电极作为发生氧化反应的负极,

待定电极作为发生还原反应的正极,组成一个电池:

Pt ,H 2(p 0)|H +(a H+=1)‖待定电极

这个电池的电动势的数值和符号就是待定电极的电极电势的数值和符号。若该待定电极实际上进行的是还原反应,则电极电势为正值;若该待定电极实际上进行的是氧化反应,则电极电势为负值。

可见,?由此方法确定出来的的电极电势实际上是待定电极相对于标准氢电极的相对电势,其实质是特定电池的电动势。

电极电势用希腊字母φ表示,对于组成电极的各物质活度都为1的电极,其电势用φ0表示,并称为标准电极电势(按照IUPAC 的建议,电极电势的符号是E ,为便于与电池的电动势符号E 的区别,本书仍沿用φ,但必须明确,它实质上是上述电池所规定的电动势。)。

例如要确定铜电极 Cu(s)|Cu 2+(a Cu2+=1) 的电势,?可将它与标准氢电极组成以下电池:

Pt ,H 2(p 0)|H +(a H+=1)‖Cu 2+(a Cu2+=1)|Cu(s)

然后用电势差计测得该电池的电动势E =+0.337V ,那么,根据上述规定,铜电极的电极电势为φCu2+|Cu =E =+0.337V ,因为组成电极的Cu 2+的活度为1,?故电极电势为标准电极电势φ0Cu2+/Cu 。

图8-6 标准氢电极装置图

再如要确定锌电极Zn(s)|Zn2+(a Zn2+=0.1)的电极电势,?可将它与标准氢电极组成如下电池:

Pt,H2(p0)|H+(a H+=1)‖Zn2+(a Zn2+=0.1)|Zn(s)

然后用电势差计测得该电池的电动势E=-0.792V?。那么,据上述规定,Zn电极的电势就是φZn2+/Zn=?E?=-?0.792V。

下表列出了25℃时一些电极的标准电极电势值,用时可查阅。

表8-1 常见电极在298.15K时的标准电极电势

有了电极的电极电势,如何用来计算电池的电动势呢?首先要找出电动势与电极电势之间的关系式。现以一个具体的电池为例,推出E与φ的关系式,然后推广到任意电池。

将电池 Zn(s)|Zn2+(a Zn2+)‖Cu2+(a Cu2+)|Cu(s) 的两个电极分别与标准氢电极组成如下两个电池

Pt,H2(p0)|H+(a H+=1)‖Zn2+(a Zn2+)|Zn(s)

Pt,H2(p0)|H+(a H+=1)‖Cu2+(a Cu2+)|Cu(s)

三个电池的电池反应分别为

Zn+Cu2+─→Zn2++Cu (1)

H2+Zn2+─→2H++Zn (2)

H2+Cu2+─→2H++Cu (3)

因为反应(1)=反应(3)-反应(2),所以

Δr G m(1)=Δr G m(3)-Δr G m(2)

将Δr G m(1)=-2FE,Δr G m(2)=-2FφZn2+|Zn和Δr G m(3)=-2FφCu2+|Cu代入上式整理得

E=φCu2+|Cu-φZn2+|Zn

推广到任意电池E=φ+-φ-(8.4-3)

同理E0=φ0+-φ0-(8.4-4)

E0是电池反应中各物质的活度均为1时的电动势,即标准电动势。

4. 参比电极

标准氢电极虽然可以使电动势测得很准确,但由于制备困难,尤其是氢气的

净化复杂,且使用也不方便,因此使用时,往往采Array用另外的电极代替标准氢电极,作为测定电极电势

的标准电极。这样的电极称为参比电极。作为参比

电极应制备简单、电势稳定、使用方便。参比电极

经过了标准氢电极的标定,有了较准确的电极电势

数值。常用的参比电极是甘汞电极,其结构如图8

-7所示,电极表示式为Hg(l)+Hg2Cl2(s)|

KCl(m),其中的KCl溶液的浓度可为0.1mol.dm-3、

1mol.dm-3或饱和的,分别称为0.1mol.dm-3甘汞电

极、摩尔甘汞电极、饱和甘汞电极。甘汞电极的电

图8-7 饱和甘汞电)

极电势与KCl浓度和温度有关。下表列出了三种甘

汞电极的电极电势与温度的关系式。

表8-2 甘汞电极的电极电势与温度的关系式

17

1. 能斯特方程

(1) 电池电动势的能斯特方程

设一可逆电池在温度T 时的电池反应为0=∑νB B ,根据化学反应等温方程,反应的Δr G m 为

Δr G m =Δr G 0m +RTlnQa

将(8.2-1)式代入上式整理得

E =E 0-RT Z

F lnQa (8.5-1) 式中B a B

Q a ν=∏。当电池中有纯液体或固体物质时,其活度为1,有气体时,a B =f B /p 0,若为理想气体,则a B =p B /p 0。上式反映了可逆电池的电动势与电池反应中各物质活度之间的关系,是能斯特(Nernst)于1889年提出来的,故称为能斯特方程。

(2) 电极电势的能斯特方程

因电极的电势实质是该电极作正极与标准氢电极组成的电池的电动势。所以能斯特方程也适用于电极电势。例如,对于电极Cu(s)|Cu 2+(a),其电极电势φ是电池

Pt ,H 2(p 0)|H +(a =1)‖Cu 2+(a)|Cu(s)

的电动势E ,该电池的电池反应为

H 2(p 0)+Cu 2+(a)─→2H +(a =1)+Cu(s)

电动势的能斯特方程为

E =E 0-(RT/2F)ln[a 2(H +).a(Cu)/a(H 2).a(Cu 2+)]

因为E =φCu2+/Cu ,E 0=φ0Cu2+/Cu -φ0H+/H2=φ0Cu2+ /Cu ,a(H 2)=p(H 2)/p 0=1,a(H +)=1,故上式变为

φCu2+/Cu =φ0Cu2+/Cu -

RT ZF ln[a(Cu)/a(Cu 2+)] 此式即为电极Cu(s)|Cu 2+(a)的电极电势的能斯特方程。

同理,对于任意电极,若电极反应为

|ν0|O+ze -=νR R

其电极电势的能斯特方程为

φ=φ0-RT ZF ln(a R VR /a O

|VO| (8.5-2)

应当注意,方程式中的氧化态O 和还原态R 并非专指氧化数有变化的物质,而是包括了电极反应中的所有物质。例如,对于电极Pt|Cr 2O 72-,Cr 3+,H +

,电极反应为

Cr2O72++14H++6e-─→2Cr3++7H2O

其能斯特方程为

φ=φ0-RT

6F

ln[a2(Cr3+).a7(H2O)]/a(Cr2O72+).a14(H+)]。

2. 电池电动势的计算

对于由任意两个电极构成的电池的电动势,既可以直接用电池电动势的能斯特方程计算,也可以先用电极电势的能斯特方程分别算出两电极的电极电势φ+和φ-,再用式E=φ+-φ-计算电池的电动势E。对于两个电极共用一个电解质溶液的单液电池,计算E的能斯特方程中只出现同一溶液的a±或γ±。一个溶液的a±或γ±是有明确的热力学意义的,也是可以精确测量的,因此单液电池的电动势可以精确计算。对于两个电极各用一个电解质溶液的双液电池,计算E的能斯特方程中出现不同溶液中单独离子的活度a i或活度系数γi,因其无法测定,通常需做近似处理,即假设同一溶液中γ+=γ-=γ±,以可测量的γ±代替不可测量的γ+或γ-,因此双液电池电动势的计算是近似的。

例题3计算下列电池在298K时的电动势

(1)、Pt,H2(p0)|H2SO4(m=0.05mol.kg-1,γ±=0.0340)|Hg2SO4(s),Hg(l);

(2)、Zn(s)|ZnSO4(m=0.001mol.kg-1, γ±=0.734)‖CuSO4(m=1.0mol.kg-1,γ±=0.047)|Cu(s);

(3)、Pt,H2(p1=1.5p0)|HCl(m=0.1mol.kg-1)|H2(p2=0.5p0),Pt;

(4)、Ag(s),AgCl(s)|HCl(m1=0.1mol.kg-1,γ±=0.796)‖HCl(m2=0.01mol.kg

-1,γ

±=0.904)|AgCl(s),Ag(s)。

解:

(1) 这是一个单液化学电池

负极反应 H2(p0)─→2H+ + 2e-

正极反应 Hg2SO4(s) +2e-─→2Hg(l) +SO42-

电池反应 H2(p0)+ Hg2SO4(s)─→2Hg(l) + H2SO4(a)

E=E0-RT

2F

ln[a(H2SO4)/(p0(H2)/p0)]

=φ0Hg,Hg2SO4/SO42--RT

2F

ln[4(γ±m/m0)3]

=0.615V-8.314×298/2×96500ln[4(0.340×0.05/1)3]V =0.615V-0.139V=0.754V

(2) 这是一个双液化学电池

负极反应 Zn(s) ─→ Zn2++2e-

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正极反应 Cu2+ +2e-─→ Cu(s)

电池反应 Zn(s) + Cu2+(a Cu2+) ─→ Zn2+(a Zn2+)+Cu(s)

E=E0-RT

2F

ln(a Zn2+/a Cu2+)

=φ0Cu2+/Cu-φ0Zn2+/Zn–RT

2F

ln[(γZn2+.m Zn2+/m0)/(γCu2+.m Cu2+/m0)]

设γ+=γ±,则

E=0.337V+0.763V-(8.314×298/2×96500)ln(0.734×0.001/0.047×1.0)V

=1.1534V

(3) 这是一个单液浓差电池,亦称电极浓差电池

负极反应 H2(p1)─→2H++2e-

正极反应 2H++2e-─→H2(p2)

电池反应 H2(p1) ─→ H2(p2)

E=-RT

2F

ln[(p2/p0)/(p1/p0)]

=-8.314×298/2×96500ln(0.5/1.5)V

=0.0141V

可见这种电池的电动势与标准电极电势及电解质溶液的浓度无关,而与电极反应物在电极上的浓度或压力有关。

(4) 这是一个双液浓差电池

负极反应 Ag(s)+Cl-(m1)─→AgCl(s)+e-

正极反应 AgCl(s)+e-─→Ag(s)+Cl-(m2)

电池反应 Cl-(m1)─→Cl-(m2)

E=-RT

F ln(a2(Cl-)/a1(Cl-)=RT

F

ln(γ±m/m0)1/(γ±m/m0)2

=0.0559V

可见这种电池的电动势只与两溶液的浓度无关,与标准电极电势无关。

§8.6 电动势法的应用

在电化学中,电池的电动势是一个很重要的物理量,运用测定电动势的方法,可以解决许多化学上的实际问题。

判断KFe(CN)电极过程的可逆性

实验判断K3Fe(CN)6电极过程的可逆性 一、实验目的 掌握用循环伏安法判断电极过程的可逆性。 二、实验原理 循环伏安法在电极上施加线性扫描电压,当到达设定的某终止电压后,再反方向回扫至设定的某起始电压。 若溶液中存在氧化态O,电极上将发生还原反应: O+ne=R 反向回扫时,电极上生成的还原态R将发生氧化反应: R=O+ne 在一定扫描速率下,从起始电位负向扫描,溶液中[Fe(CN)6]3-被还原生成[Fe(CN)6]4-,产生氧化电流;当正向扫描变到原起始电位在工作电极表面生成的[Fe(CN)6]3-被氧化生成[Fe(CN)6]3-,产生还原电流。 从循环伏安图可确定氧化峰峰电流i pa 和还原峰峰电流i pc,氧化峰峰电位φpa 和还原峰峰电位φpc 值。 对于可逆体系,氧化峰与还原峰的峰电流之比为: 氧化峰与还原峰的峰电位之差为: (mV) 由此可判断电极过程的可逆性。 三、仪器及试剂 仪器:电化学工作站(CHI600D);铂柱电极1支;铂丝电极1支;饱和甘汞电极1支。试剂:1mol·L-1 KNO3溶液,0.01 mol·L-1K4 [Fe(CN)6]溶液 四、实验内容 1.配制不同浓度的K4 [Fe(CN)6]溶液:依次取1ml、 2.5ml、5ml的0.01 mol·L-1K4 [Fe(CN)6]溶液于25ml的容量瓶中,每个均加入2.5ml的1mol·L-1 KNO3溶液,稀释至刻度,摇匀,充氮气除氧5分钟,备用。 2.铂片电极的处理 铂电极用Al2O3粉末(粒径0.05 μm)将电极表面抛光,然后用蒸馏水清洗。

3.溶液的循环伏安图 在电解池中插入电极,以新处理的铂电极为指示电极,铂丝电极为辅助电极,饱和甘汞电极为参比电极,进行循环伏安仪设定,扫描速率为100 mV/s;起始电位为0.3V;终止电位为-0.1V。开始循环伏安扫描,记录循环伏安图。 五、结果与讨论 1.计算并列出i pa / i pc 值、Δφ值。 2.从实验结果说明在KNO3 溶液中极谱电极过程的可逆性。 六、注意事项 1.指示电极表面必须仔细处理,否则严重影响伏安曲线的形状。 2.每次扫描之间,为使电极表面恢复初始条件,应将电极提起后再放入溶液中或用搅拌子搅拌溶液,等溶液静止 1 ~ 2 min 再扫描。 3.以上作图均应使用作图软件并打印。 七、思考题 1.解释溶液的循环伏安图。 2.如何用循环伏安法来判断极谱电极过程的可逆性。

可逆电极过程

可逆电池必须具备的条件是: (1) 电池反应必须可逆 (2) 可逆电池在放电或充电时,电池通过的电流必须为无限小 可逆过程在热力学上本有严格的意义,即控制过程的各种因素均处在平衡态,正向的微小改变所产生的各种效应,在塑向改变时将全部消失,体系恢复原状。有些电极反应能够满足这样的条件,如可逆氢电极、甘汞电极等。这种可逆电极用于试验室测试,如电势滴定、参比电极和测定有机酸的电离常数、络合物的稳定常数等热力学数据,效果都很好。但在电化学中,也常把电极反应由扩散过程主导的称作可逆电极和准可逆电极;在工业界则常把蓄电池的电极称为可逆的。这些都是习惯用法,并非原来意义上的可逆。 可逆电极电势对解决许多电化学及热力学问题是十分有用的。由前一章讨论可知,可逆电池的条件之一是外电路中没有电流通过。但是,许多电化学过程并不是在电流为零的条件下完成的。因此,在这种情况下,不论是原电池的放电还是电解池的充电,都是不可逆的过程。因此,当有限电流通过电极而发生不可逆电极反应的电极过程与可逆电极过程有何区别?不可逆电极电势与可逆电极电势有何不同?这一类问题是电极过程的研究内容。 电化学反应的速率不仅与温度、活度和催化剂材料等因素有关,而且还与电极电位有关,因而电极极化作用构成了不可逆电极过程的动力学特征。本章将从化学动力学的观点讨论电极反应的不可逆行为和规律。 准可逆电极指电荷迁越电极界面发生电子得失这一步骤较易进行的电极反应,即迁越步骤或称活化步骤【迁越系数或称传递系数。反映电极电势对于电极反应的正、逆向反应速率(即电流)影响的一种参数。与化学反应类似,电极反应的各个步骤的正、逆向过程都有势垒,即需要活化能。但作为其核心步骤的电荷迁越相界过程(即活化步骤),其正、逆向过程的活化能将受电极电势的影响】速率与扩散步骤速率相差并不太大的情况,称准可逆电极反应。准可逆,类似可逆之意。 电极反应为可逆的一类电极。可逆有下述三方面的含义。(1)热力学上,指电极界面通过正向微电流所产生的效应在逆向微.电流通过时能完

循环伏安法判断电极过程

循环伏安法判断电极过程 实验人:王壮 同组实验:余晓波 实验时间:2016.2.22 一、实验目的 (1)掌握用循环伏安法判断电极过程的可逆性 (2)学习使用电化学工作站 (3)测量峰电流和峰电位 二、实验原理 循环伏安法与单扫描极谱法类似。在电极上施加线性扫描电压,当到达某设定的终止电压后,再反向回扫至某设定的起始电压。若溶液中存在氧化态O ,电极上将发生还原反应: O ze R + 反向回扫时,电极上生成的还原态R 将发生氧化反应: R O ze + 峰电流可表示为 2221133322 p i Kz D m t v c = 峰电流与被测物质浓度c 、扫描速率v 等因素有关。 从循环伏安图可确定氧化峰峰电流pa i 和还原峰峰电流pc i 、氧化峰峰电位pa ?和还 原峰峰电位pc ?。 对于可逆体系,氧化峰峰电流与还原峰峰电流比为 1pa pc i i = 氧化峰峰电位与还原峰峰电位差为0.058 =pa pc z ????-≈ 条件电位'?为 '= 2 pa pc ???- 由此可以判断电极过程的可逆性 三、仪器与试剂 仪器:电化学工作站;金圆盘电极:铂圆盘电极或玻璃碳电极,铂丝电极和饱和甘汞电极。 试剂:-21.0010/mol L ? ;1.0/mol L 四、实验步骤 1、电极的预处理 将电极表面进行抛光处理

2、 溶液的循环伏安图 在电解池中放入31.0010/mol L -? +0.50/mol L 溶液,插入铂圆盘(或金属盘)指示电极、铂丝辅助电极和饱和甘汞电极,通N 2除去O 2. 扫描速率20/mV s ,从0.800.20V +-扫描,记录循环伏安图 以不同扫描速率:10/,40/,60/,80/,100/mV s mV s mV s mV s mV s 和200/mV s , 分别记录从0.800.20V +-扫描的循环伏安图。 3、不同浓度 溶液的循环伏安图 以20/mV s 扫描速率,从0.80 0.20V +-扫描,分别记录5 1.0010 /mol L -?、41.0010/mol L -?、31.0010/mol L -? +0.50/mol L 溶液的循环伏安图 四、实验数据 1、31.0010/mol L -? +0.50/mol L 溶液在不同扫描速度下的循环伏安图 图1.40mV/s 扫描速度 图2.60mV/s 扫描速度

不可逆电极反应

*第七章不可逆电极过程 7.1 本章学习要求 本章为打“*”号的内容。实际发生的电化学现象中,往往有一定的电流通过电极,发生不可逆反应,是不可逆过程。 1.要求学生了解不可逆电极过程的特点及与可逆电极变化的关系; 2.了解分解电压、极化现象和超电势; 3.了解极谱分析的原理; 4.了解金属腐蚀及防护; 5.了解化学电源。 7.2 内容概要 7.2.1 不可逆电极过程 使电解反应能持续稳定进行所必须施加的最小外加电压称为分解电压(decomposition voltage)。分解电压的数值是电解反应的电流——电压(I-V)曲线转折点对应的数值,实测分解电压Vd没有确切的理论意义,其数值大小受电极材料、电解液、温度等诸多因素的影响,但在实际应用中Vd有很大的意义。 电极上有电流通过时,发生不可逆电极过程(irreversible processes at electrodes),电极电势偏离其平衡电极电势的现象称为电极的极化(polarization)。电极极化时电极电势相对于可逆电势的偏离值称为过电势或超电势(overpotetial)。通过电极的电流密度越大,超电势越大。 电极的反应发生在电极与溶液的界面上,反应的结果改变了电极表面附近溶液中离子的浓度,而离子扩散的迟滞性导致电极表面附近的溶液与溶液本体之间产生浓度差,这样引起的极化作用称为浓差极化(concentration polarization)。 由于电极反应的迟缓性引起的极化称为电化学极化(electrochemical polarization)或活化极化(activation polarization)。 由于极化作用,使阳极的极化电势高于可逆电势,阴极的极化电势低于可逆电势。所以原电池放电时两极间的实际电势差小于可逆电动势,在电解池中只有外加端电压高于可逆电动势时,电解反应才能得以进行。

第五章电极过程和电极过程动力学讲解学习

第五章电极过程和电极过程动力学

5.电极过程和电极过程动力学 5.1电化学装置的可逆性:化学反应可逆性;热力学上可逆性 5.2电极的极化 5.3电极过程的控制步骤:电极反应的特点;电极反应的控制步骤5.4电荷转移动力学方程 5.5交换电流密度与电极反应速度常数 5.6稳态极化时的电极动力学方程 5.7浓差极化及其电机动力学方程 5.8化学极化 分解电压E分:在可逆情况下使电解质有效组元分解的最低电压,称为理论分解电压(V e)。理论分解电压是阳极平衡电极电位(εe(A))与阴极平衡电极电位(εe(K))之差。 Ve=εe(A)- εe(K)(10 - 5) 当电流通过电解槽,电极反应以明显的速度进行时,电极反应将会明显偏离平衡状态,而成为一种不可逆状态,这时的电极电位就是不平衡电位,阳极电位偏正,阴极电位偏负。这时,能使电解质熔体连续不断地发生电解反应所必需的最小电压叫作电解质的实际分解电压。显然,实际分解电压比理论分解电压大,有时甚至大很多。

实际分解电压简称分解电压(V),是阳极实际析出电位(ε(A))和阴极析出电位(ε(K))之差。 V=ε(A)- ε(K)(10 - 6) 当得知阴、阳极在实际电解时的偏离值(称为超电位)就可以算出某一电解质的实际分解电压。 分解电压符合能斯特方程,可以表示为如下形式: 式中 E i,E0分别表示实际和标准状态下组元i的分解电压; a i__组元的活度; n i __组元在熔盐中的化合价; F __ 法拉弟常数; 可以看出,温度和电解质组成均会影响分解电压 电极极化

电解时的实际分解电压比理论分解电压要大很多,这是由于电流通过电解槽时,电极反应偏离了平衡状态。通常将这种偏离平衡电极电位的现象称为极化现象。电解过程实际分解电压和理论分解电压之差称为超电压。 ?电解电极反应一般包含1: ?(1)反应离子由熔体向双电层移动并继续经双电层向 电极表面靠近。这一阶段在很大程度上靠扩散实现,扩 散则是由于导电离子在熔体和双电层外界的浓度差别引 起的。 ?(2)反应离子在电极表面进行电极反应前的转化过 程,如表面吸附等; ?(3)在电极上的电子传递 - - 电化学氧化或电化学还 原反应; ?(4)反应产物在电极表面进行反应后的转化过程,例 如自电极表面的脱附,反应产物的复合、分解和其它化 学反应; ?(5)反应产物形成新相,或反应产物自电极表面向电 解质熔体的传递。

第七章 不可逆电极过程

第七章不可逆电极过程 7.1 本章学习要求 本章为打“*”号的内容。实际发生的电化学现象中,往往有一定的电流通过电极,发生不可逆反应,是不可逆过程。 1.要求学生了解不可逆电极过程的特点及与可逆电极变化的关系; 2.了解分解电压、极化现象和超电势; 3.了解极谱分析的原理; 4.了解金属腐蚀及防护; 5.了解化学电源。 7.2 内容概要 7.2.1 不可逆电极过程 使电解反应能持续稳定进行所必须施加的最小外加电压称为分解电压(decomposition voltage)。分解电压的数值是电解反应的电流——电压(I-V)曲线转折点对应的数值,实测分解电压Vd没有确切的理论意义,其数值大小受电极材料、电解液、温度等诸多因素的影响,但在实际应用中Vd有很大的意义。 电极上有电流通过时,发生不可逆电极过程(irreversible processes at electrodes),电极电势偏离其平衡电极电势的现象称为电极的极化(polarization)。电极极化时电极电势相对于可逆电势的偏离值称为过电势或超电势(overpotetial)。通过电极的电流密度越大,超电势越大。 电极的反应发生在电极与溶液的界面上,反应的结果改变了电极表面附近溶液中离子的浓度,而离子扩散的迟滞性导致电极表面附近的溶液与溶液本体之间产生浓度差,这样引起的极化作用称为浓差极化(concentration polarization)。 由于电极反应的迟缓性引起的极化称为电化学极化(electrochemical polarization)或活化极化(activation polarization)。

2 循环伏安法研究电极过程的可逆性

循环伏安法研究电极过程的可逆性 一.实验目的 1. 掌握用循环伏安法判断电极过程可逆性的实验方法。 2. 学会测量峰电流和峰电位。 二.实验原理 循环伏安法与单扫描极谱法相似。在电极上施加线性扫描电压,当到达某设定的终止电压后, 再反向回扫至某设定的起始电压。若溶液中存在氧化态O ,电极上将发生还原反应:O ne R +=,反向回扫时,电极上生成的还原态R 将发生氧化反应:R ne O -=。 从循环伏安图可确定氧化峰峰电流i pa 和还原峰峰电流i pc 、氧化峰峰电位E pa 和还原峰峰电位值E pc 。 对于可逆体系,循环伏安图的上下两条曲线是对称的,氧化峰峰电流和还原峰峰电流之比: 1pa pc i i ≈, 氧化峰峰电位与还原峰峰电位之差:0.058 ()p pa pc E E E V n ?=-≈ 因此,由上述两式可判断电极过程的可逆性。 三.仪器及试剂 1.仪器:LK98B Ⅱ型新型极谱仪或CHI660C 电化学工作站;三电极体系:玻碳电极、铂丝电极 和饱和甘汞电极(或银氯化银参比电极)。 2.试剂:K 3Fe(CN)6 溶液:1.0×10-3 mol·L 1 K 3Fe(CN)6 +0.10 mol·L 1 NaCl 。 四.实验步骤 1. 玻碳电极的预处理 玻碳电极分别用0.3和0.05 μm 的三氧化二铝粉在抛光布上将电极表面抛光,然后依次在无水乙醇和蒸馏水中各超声洗涤2 min 。 2. K 3Fe(CN)6 溶液的循环伏安图 取5 mL1.0 ? 10-3 mol·L 1 K 3Fe(CN)6 溶液于10.00 mL 小烧杯中(或电解池中),插入玻碳电极、 铂丝电极和饱和甘汞电极。以扫描速率0.1 V·s 1 ,从 0.20 ~+0.60V 扫描,测定并记录i pa ,i pc 和E pa ,E pc 的值。 3. 不同扫描速度下的K 3Fe(CN)6 溶液的循环伏安图

实验 循环伏安法判断电极过程

实验一循环伏安法判断电极过程 一、目的要求 1.学会电化学工作站的使用,学习固体电极表面的处理方法 2. 掌握用循环伏安法判断电极过程的可逆性。 3. 了解可逆波的循环伏安图的特性,学会解释循环伏安图 二、实验原理 循环伏安法是以等腰三角形的脉冲电压加在工作电极上,在电极上施加线形扫描电压,当到达设定的终止电压后,再反向回扫至某设定的起始电压,电压与扫描时间的关系如图1所示。 得到的电流电压曲线包括两个分支,如果前半部分电位向阴极方向扫描,电活性物质在电极上还原,产生还原波,那么后半部分电位向阳极方向扫描时,还原产物又会重新在电极上氧化,产生氧化波。因此一次三角波扫描,完成一个还原和氧化过程的循环,故该法称为循环伏安法,其电流—电压曲线称为循环伏安图,如图2所示。假设溶液中有电活性物质)则电极上发生如下电极反应:正向扫描时,电极上将发生还原反应: O + Ze = R 反向回扫时,电极上生成的还原态R将发生氧化反应:

R = O + Ze 峰电流可表示为:i p = Kn 3/2D 1/2m 2/3t 2/3ν1/2c 图2 其峰电流与被测物质浓度c 、扫描速度ν等因素有关。上式是扩散控制的可逆体系电极过程电流方程式,如果电极过程受吸附控制,则电流的大小与ν成正比。 由循环伏安图可以得到氧化峰峰电流(i pa )与还原峰峰电流(i pc )以及氧化峰峰电位φpa 、还原峰峰电位φpc 值。 对于可逆体系,曲线上下对称,氧化峰峰电流与还原峰峰电流比等于1: i pa /i pc =1 氧化峰电位与还原峰电位差: Δφ= φpa — φpc ≈0.058/n 条件电位: φo ′=(φpa +φpc )/2 如果电活性物质可逆性差,则氧化波与还原波的高度就不同,对称性也较差, 只有一个氧化或还原峰,电极过程即为不可逆,由此可判断电极过程的可逆性。 不可逆体系:△ >58/n mv i Pa /i Pc <1 i —E 曲线

新版第五章电极过程和电极过程动力学-新版-精选.pdf

5.电极过程和电极过程动力学 5.1电化学装臵的可逆性:化学反应可逆性;热力学上可逆性 5.2电极的极化 5.3电极过程的控制步骤:电极反应的特点;电极反应的控制步骤 5.4电荷转移动力学方程 5.5交换电流密度与电极反应速度常数 5.6稳态极化时的电极动力学方程 5.7浓差极化及其电机动力学方程 5.8化学极化 分解电压E分:在可逆情况下使电解质有效组元分解的最低电压, 称为理论分解电压(V e)。理论分解电压是阳极平衡电极电位(ε e(A))与阴极平衡电极电位(εe(K))之差。 Ve=εe(A)- εe(K)(10 - 5) 当电流通过电解槽,电极反应以明显的速度进行时,电极反应将会明显偏离平衡状态,而成为一种不可逆状态,这时的电极电位就是不平衡电位,阳极电位偏正,阴极电位偏负。这时,能使电解质熔体连续 不断地发生电解反应所必需的最小电压叫作电解质的实际分解电压。显然,实际分解电压比理论分解电压大,有时甚至大很多。

实际分解电压简称分解电压(V),是阳极实际析出电位(ε(A))和阴极析出电位(ε(K))之差。 V=ε(A)- ε(K)(10 - 6) 当得知阴、阳极在实际电解时的偏离值(称为超电位)就可以算出某一电解质的实际分解电压。 分解电压符合能斯特方程,可以表示为如下形式: 式中 E i,E0分别表示实际和标准状态下组元i的分解电压; a i__组元的活度; n i __组元在熔盐中的化合价; F __ 法拉弟常数; 可以看出,温度和电解质组成均会影响分解电压 电极极化 电解时的实际分解电压比理论分解电压要大很多,这是由于电流通过

电解槽时,电极反应偏离了平衡状态。通常将这种偏离平衡电极电位的现象称为极化现象。电解过程实际分解电压和理论分解电压之差称 为超电压。 电解电极反应一般包含1: (1)反应离子由熔体向双电层移动并继续经双电层向电 极表面靠近。这一阶段在很大程度上靠扩散实现,扩散则 是由于导电离子在熔体和双电层外界的浓度差别引起的。 (2)反应离子在电极表面进行电极反应前的转化过程, 如表面吸附等; (3)在电极上的电子传递 - - 电化学氧化或电化学还 原反应; (4)反应产物在电极表面进行反应后的转化过程,例如 自电极表面的脱附,反应产物的复合、分解和其它化学反 应; (5)反应产物形成新相,或反应产物自电极表面向电解 质熔体的传递。

不可逆电极过程

第九章电解与极化作用 教学目的: 通过本章学习使学生理解电极极化的原因及应用,并能计算一些简单的电解 分离问题。 教学要求: 了解分解电压的意义。 了解产生极化作用的原因。了解超电势在电解中的作用。能计算一些简单的 电解分离问题。 了解金属腐蚀的原因和各种防腐的方法。 了解化学电源的类型及应用。 教学重点和难点 电极极化的原因,实际析出电势的求算和电解分离。 教学内容: §9.1 分解电压 使电能转变成化学能的装臵称为电解池。当直流电通过电解质溶液,正离子 向阴极迁移,负离子向阳极迁移,并分别在电极上起还原和氧化反应,从而获得还原产物和氧化产物。若外加一电压在一个电池上,逐渐增加电压直至使电池中的化学反应发生逆转,这就是电解。 实验表明,对任一电解槽进行电解时,随着外加电压的改变,通过该电解槽 的电流亦随之变化。 例如,使用两个铂电极电解HCl 溶液时,改变可变电阻,记录电压表和电 流表的读数,则可测量电解槽两端电位差与电流强度的关系曲线。开始时,当外加电压很小时,几乎没有电流通过电解槽;电压增加,电流略有增加;当电流增加到某一点后,电流随电压增大而急剧上升,同时电极上有连续的气泡逸出。在两电极上的反应可表示如下: 阴极2H + (a H+ )+2e→H2(g, p) 阳极2Cl ( aCl )→ Cl2(g, p)+2e 当 电极上有气泡逸出时,H2 和Cl2 的压力等于大气压力。 电解过程分析:当开始加外电压时,还没有H2 和Cl2 生成,它们的压力几乎 为零,稍稍增大外压,电极表面上产生了少量的H2 和Cl2,压力虽小,但却构成了一个原电池(自发地进行如下反应) () H2(p)→2H + (a H+ )+2e (+) Cl2(g)+2e→ 2Cl ( aCl ) 此时,电极上进行反应的方向正好与电解所进行的反应的方向相反。它产生 了一个与外加电压方向相反的反电动势E b。由于电极上的产物扩散到溶液中了,需要通过极微小的电流使电极产物得到补充。继续增大外加电压,电极上就有H2 和Cl2 继续产生并向溶液中扩散,因而电流也有少许增加,相当于IE 曲线上

第7章 电化学自测题(不可逆电极过程部分)

第七章 电化学自测题(不可逆电极过程) 一、选择题 1.当发生极化作用时,两电极的电极电势的变化为( )。 (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.用铜电极电解CuCl 2的水溶液,不考虑超电势,在阳极上将会发生的反应为(已知 V Cu Cu 337.02=+ θ?,V O H O 23.122 =θ ?,V Cl Cl 360.12 =- θ ?) ( )。 (a )析出氧气 (b )析出氢气 (c )析出铜 (d )铜电极氧化 3.已知V Fe Fe 440.02-=+ θ ?,V Cd Cd 402.02-=+ θ ?,将Fe(s)和Cd(s)的粉末投入含Fe 2+(0.10 mol ?kg -1)和含Cd 2+(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 4.298K 时,在0.10 mol ?kg -1的HCl 溶液中,氢电极的可逆电势约为-0.06V ,当用铜电极电解此溶液,氢在Cu 电极上的析出电势应( )。 (a )大于-0.06V (b )等于-0.06V (c )小于-0.06V (d )无法判定 5.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 6.以石墨为阴极,电解0.01 mol ?kg -1NaCl 溶液,已知V Cl Cl 36.12 =- θ ?,02=Cl η, V O H H O 229.122 ,=+θ?,V O 8.02=η,则在阳极上首先析出的是( )。 (a )Cl 2(g) (b )O 2(g) (c )Cl 2与O 2混合气 (d )无气体析出 7.298K 时,以1A 电流电解CuSO 4溶液时,析出0.1molCu(s)所需时间约为( )。 (a )20.2h (b )5.4h (c )2.7h (d )1.5h 8.电解时,在电极上首先发生氧化反应的是( )。 (a )标准还原电极电势最大者 (b )标准还原电极电势最小者 (c )考虑极化后实际析出电极电势最大者 (d )考虑极化后实际析出电极电势最小者 9.通电于含有相同浓度的Fe 2+, Ca 2+, Zn 2+ 和Cu 2+的电解质溶液, 已知 V Fe Fe 440.02-=+ θ?,V Ca Ca 866.22-=+θ?,V Zn Zn 763.02-=+θ?,V Cu Cu 337.02=+ θ ?,设H 2因有超电势而不析出,则这些金属在阴极析出的次序为( )。 (a) Ca → Zn → Fe → Cu (b) Ca → Fe → Zn → Cu (c) Cu → Fe → Zn → Ca

物理化学第07章电极过程Word版

第七章 电极过程 复 习 思 考 题 1.电极反应步骤一般有哪些? 2.什么是不可逆电极电势? 3.何谓极化? 4.分解电压值与什么因素有关? 5.何谓析出电势和溶解电势?它们与什么因素有关?有什么用途? 6.何谓超电压?与什么因素有关? 7.电解池极化与原电池极化有何异同? 8.极化有几类?各自产生的原因如何? 9.什么是极限扩散电流?有何应用? 10.浓差超电压与电流密度的关系如何? 11.电极表面带电(电场)对电极反应的活化能有何影响? 12.电化学极化超电压与电流密度的关系如何? 13.塔菲尔公式的应用条件如何? 14.极化曲线有几种?测定装置上有什么不同? 15.极化曲线数据有何应用? 16.几种阳离子同时电积的条件是什么?取决于哪些因素? 17.为什么能自水溶液中电积出金属锌? 18.影响电结晶好坏有哪些因素? 19.多种金属及其合金同时溶解的条件是什么? 20.什么是金属钝化?产生的原因是什么? 21.腐蚀原电池是如何构成的? 22.什么是去极化作用?对金属腐蚀有何影响? 23.金属的防腐有什么基本方法? 24.阴极保护层、保护器保护和阴极电极电保护三种防腐措施有什么不同? 习 题 1.用间接方法求得298.15K 时,反应 H 2+21 O 2=H 2O (1) φ m r G ?=-236.65 kJ ·mol -1

试问298.15K时,非常稀的硫酸溶液的分解电压是多少?设用的是可逆电极,并且溶液搅拌得很好。(答案:1.226V) 解:ΔrGmΘ= -ZFE U(分)=E(理)= -ΔrGmΘ/ZF = 1.226 V 2.298.15K时低电流密度电解稀硫酸水溶液,用银作两极的电极材料,和用光滑铂作两极材料,试分别确定其分解电压(已知在银电极上ηH2=0.87 ,ηO2=0.96V,在光滑铂电极上ηH2=0.09,ηO2=0.45V。并设稀硫酸水溶液中a H2O=1)。(答案:3.056V;1.766V)解:用Ag作电极 U(分)=1.226+0.87+0.96 = 3.056 V 用Pt作电极 U(分)=1.226+0.99+0.45 = 1.766 V 3.某溶液中含10-2mol·dm-3CdSO4,10-2mol·dm-3ZnSO4和0.5mol·dm-3H2SO4,把该溶液放在两个铂电极之间,用低电流密度进行电解,同时均匀搅拌,试问 ①哪一种金属将首先沉积在阴极上? ②当另一种金属开始沉积时,溶液中先析出的哪一种金属所剩余的浓度为多少? (答案:6.8×10-15 mol·dm-3) 解:(1)ΦCd2+/Cd= -0.40-0.0296lg[1/(γCd2+·C Cd2+)] ΦZn2+/Zn=-0.76-0.0296lg[1/(γZn2+·C Zn2+)] 在此溶液中,γCd2+≈γZn2+ C Cd2+ = C Zn2+ ∴ΦZn2+/Zn < ΦCd2+/Cd金属Cd先析出。 (2)在金属锌析出时Cd2+的浓度应满足关系: -0.40-0.0296lg(1/C Cd2+)= -0.76-0.0296lg(1/0.01) 解得:C Cd2+ = 6.8×10-15 mol·dm-3 4.电解某溶液在阴极上有Zn沉积,H2在Zn上的超电压为0.72V,欲使溶液中Zn2+的浓度降到10-4mol·dm-3,阴极仍不析出H2气,溶液的pH值最小应控制为多少?(答案:2.7)解:当C Zn2+ = 10-4mol·dm-3时,有 ΦZn2+/Zn=-0.763-0.0296lg(1/10-4)= -0.881 V 析出H2时,有ΦH+/H2=-0.0592×PH-0.72 不让H2析出时,则

可逆电极过程

第8章 可逆电极过程 §8.1 化学反应与电池 有许多化学反应,在一定条件下能够自动进行,将化学能转换成其它形式的能量。对于同一个这样的化学反应,若把它安排在不同的装置中进行,尽管其反应物和产物都分别相同,但其化学能转换成的能量的形式是不同的。例如,锌和硫酸铜溶液的反应 Zn(s)+CuSO 4(m 1)─→ZnSO 4(m 2)+Cu(s) 是一个在常温下能够自动进行的放热反应。如果将锌片直接置于硫酸铜溶液中,如图8-1所示,则Zn 失去了电子氧化成Zn 2+进入溶液,Cu 2+ 直接在Zn 片表面上得到电子而还原为金属Cu 析出,并放出热量使溶液的温度升高。显然,这样反应的结果是化学能转变成了热能。如果把上述反应安排在如图8-2所示的装置里,用隔膜(防止两种溶液混合,但又能让离子通过,保持电的通路)把Zn 和Cu 2+ 隔离开,Zn?把电子留在锌片上变成Zn 2+进入ZnSO 4溶液,锌片上的电子通过外接导线传到铜片上,Cu 2+?在铜片上得到电子而变成Cu 析出,而不是直接由锌片上取得电子,这样将Zn 的氧化和Cu 2+的还原分隔在两处同时进行, 就可引出电流而获取电图8-1 Zn 与CuSO 4直接反应 图8-2 丹尼尔电池

能。显然,这样反应的结果是化学能部分转变成了电能。 象上面这样把化学能转化成电能的装置称为原电池,简称电池。图8-2?就是丹尼尔(Daniell)电池示意图。在电池中进行的化学反应称为电池反应。?它有别于一般氧化还原反应的一个特点是:反应物之间不直接接触,氧化反应与还原反应分别在两个区域进行。一个电池是由两个电极组成的,发生氧化作用的电极电势较低称为负极,发生还原作用的电极电势较高称为正极。一个电池反应是由两个电极反应组成的,在正极上发生的还原反应称为正极反应,在负极上发生的氧化反应称为负极反应。如在丹尼尔电池中,锌片和硫酸锌溶液(称为锌电极)是负极,铜片和硫酸铜溶液(称为铜电极)是正极 负极反应 Zn ─→ Zn2++2e- 正极反应 Cu2++ 2e-─→ Cu 电池反应 Zn + Cu2+─→ Zn2++Cu 将化学反应转化为一个能够产生电流的电池,首要条件是该化学反应是一个氧化还原反应,或者在整个反应过程中经历了氧化还原作用,其次必须给予适当的装置,使反应物之间不直接接触,氧化反应和还原反应分别在两个电极上进行。 §8.2 可逆电池 1. 电池的表示方法 在电化学中,为了书写的方便,电池是用电池表达式来描述的,书写电池表达式时,常采用如下惯例: ①组成电池的物质以化学式表示,并在其后的括号内标明物质的聚集状态,如s(固)、l(液)、g(气)。溶液要标明活度或浓度,数值未知时可只用a或m?表示,水溶液也可用aq表示;气体物质需标明逸度或压力和依附的不活泼金属,逸度或压力未知时可只用f或p表示。 ②不同物相的界面用“|”或“,”表示;?半透膜或多孔塞用“┆”表示;盐桥用“‖”表示。物相的界面包括电极与溶液的界面、不同溶液间的界面。 ③将电池的负极写在左边,电池的正极写在右边,各物质的化学式及符号排列顺序要真实反映电池中各物质的实际接触顺序。 按以上几条惯例,上述丹尼尔电池的表达式是: Zn(s)|ZnSO4(aq)┆CuSO4(aq)|Cu(s) 电池是由两个电极组成的,电池表达式的两半部分就是电极表达式。如丹尼尔电池中锌电极的表达式是 Zn(s)|ZnSO4(aq),铜电极的表达式是Cu(s)|

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