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应用电化学

1.什么是电化学体系?基本单元有那些?5分

(1)由两类不同导体组成,且在电荷转移时不可避免地伴随有物质变化的体系,通常有原电池、电解池、腐蚀电池三大类型。

(2)1.电极 2.电解质溶液 3.隔膜

2.试描述现代双电层理论的概要.5分

电极\溶液界面的双电层的溶液一侧被认为是由若干“层”组成的。最靠近电极的一层为内层,它包含有溶剂分子和所谓的特性吸附的物质(离子或分子),这种内层也称为紧密层、helmholtz层或stern层,如图1.5所示。实际上,大多数溶剂分子(如水)都是强极性分子,能在电极表面定向吸附形成一层偶极层。特性吸附离子的电中心位置叫内holmholtz层(IHP),它是在距离为x1处。溶剂化离子只能接近到距电极为x2的距离处,这些最近的溶剂化离子中心的位置称外helmholtz层(OHP)。非特性吸附离子由于电场的作用会分布于称为分散层(扩散层)的三维区间内并延伸到本体溶液。在OHP层与溶液本体之间是分散层。

3.什么是电极的法拉第过程和非法拉第过程。5分

电极上发生的反应过程有两种类型,法拉第过程和非法拉第过程。

前者是电荷经过电极/溶液界面进行传递而引起的某种物质发生氧化或还原反应时的法拉第过程,其规律符合法拉第定律,所引起的电流称法拉第电流。

后者是在一定条件下,当在一定电势范围内施加电位时,电极/溶液界面并不发生电荷传递反应,仅仅是电极/溶液界面的结构发生变化,这种过程称非法拉第过程。

4.试述电极反应的种类和机理。10分

电极反应种类:(1)简单电子迁移反应;(2)金属沉积反应;(3)表面膜的转移反应;(4)伴随着化学反应的电子迁移反应;(5)多孔气体扩散电极中的气体还原或氧化反应;(6)气体析出反应;(7)腐蚀反应

5.试述有关化学电源主要性能的概念,如电动势、开路电压、工作电压、截止电压

电池容量、连续放电、间歇放电、电池的寿命、自放电、过充电等.。10分

电动势E:又称理论电压,是指没有电流流过外电路时电池正负两极之间的电极电势差。

工作电压V:是指电池有电流流过时的端电压。

额定电压:指电池工作时公认的标准电压。

中点电压:指电池放电期间的平均电压。

截止电压:指电池放电终止时的电压值。

电池容量C:指在一定放电条件下,电池放电到终止电压时所能放出的电量,单位为库仑(C)或安时(A·h)

电池的寿命包含三种涵义:使用寿命是指在一定条件下,电池工作到不能使用的工作时间。循环寿命是指在二次电池报废之前,在一定条件放电条件下,电池经历充放电循环的次数,对于一次电池、燃烧电池则不存在循环寿命。贮存寿命是指电池性能或电池容量降低到额定指标以下时的贮存时间。

自放电是指由于电池种一些自发过程的进行而引起的电池容量的损失

电池的寿命包含三种涵义:使用寿命是指在一定条件下,电池工作到不能使用的工作时间。循环寿命是指在二次电池报废之前,在一定条件放电条件下,电池经历充放电循环的次数,对于一次电池、燃烧电池则不存在循环寿命。贮存寿命是指电池性能或电池容量降低到额定指标以下时的贮存时间。

自放电是指由于电池种一些自发过程的进行而引起的电池容量的损失。

充电时间太长,电池可能被过充电。

6. 什么是一次电池?一次的原因是什么?有何优点?5分

(1)一次电池(原电池)为电池放电后不能用充电的方法使它复原的一类电池。

(2)原因是由于电池反应或电极反应的不可逆性或条件限制使电池反应很难可逆地进行所决定的。

(3)主要优点是:方便、简单、容易使用,维修工作量极少。其他优点有:贮存寿命长,适当的比能量和比功率,可靠,成本低

7. 写出碱性锌锰一次电池表达式及电极电池反应,并说明其主要结构和特征。10分

电池表达式为:(一)Zn│浓KOH│MnO2 ,C(+)

负极反应: Zn+2OH - —2e→Zn(OH)2 Zn(OH)2+2OH-→[Zn(OH)4]2-

正极反应: MnO2+H2O+e→MnOOH+OH - MnOOH+H2O+e→Mn(OH)2+OH –

电池反应:Zn+MnO2+2H2O+2OH -→Mn(OH)2+Zn(OH)42-

电池采用浓KOH作电解液(PH≈5),采用Zn和石墨分别作为负极和正极的集电器。该电池的特点是自放电小、内阻小、放电电压比盐类电解液的要高且稳定,同时由于电解MnO2(EMD)的使用,电池具有较高的容量。

8. 试述铅酸蓄电池的表达式、电极反应、电池结构、影响循环寿命的原因、密封机理和工艺。(1)池表达式为: (一) Pb│H2SO4│PbO2 (+) (2)电极反应:

负极反应:Pb+HSO4- ←→ PbSO4+H+ +2e

正极反应:PbO2+HSO4 - +3H+ +2e ←→P bSO4+2H2O

电池反应:Pb+PbO2+2H2SO4 ←→ 2PbSO4+2H2O

(3)结构组成:海绵状铅为负极(集电器),PbO2作正极,采用涂膏式极板栅结构。(4)影响电池的寿命和容量减小原因

(a)极板栅腐蚀:Pb电极在与PbO2和酸接触的地方腐蚀以及Pb板栅的暴露部分充电时可能发生的阳极氧化而导致的腐蚀。

(b)正极活性物质的脱落。(c)负极自放电

(d)极板栅硫酸化:表现为电极上生成紧密的白色硫酸盐外皮,此时电池不能再充电。(5)密封机理和工艺

凝胶电解质技术在铅酸蓄电池上的应用实现了电池的密封铅酸电池在充电后期,电极上发生的电化学反应为:

正极: PbSO4 + 2H2O -2e = PbO2 +HSO4-+3H+ H2O -2e H++1/2O2

负极: PbSO4 + H++ 2e Pb + HSO4- = 2H++ 2e H2

可以看出,电池在充电时产生氢气和氧气是不可避免的,而两种气体的再化合只有在催化剂在时才能进行,氧气复合原理对铅酸电池的封密起起重要的指导作用,玻璃纤维隔板的使用为氧气复合原理的实际使用提供了可能性,实现了“密封”的突破。(加课本P108密封机理和工艺)

9简述电镀过程中表面活性物质的作用

⒈响沉积过程的速度以及沉积层的结构,甚至改变金属电沉积反应的机理

⒉对镀层起整平作用

⑴整平剂:能够使微观不平整的镀件表面获得平整表面的添加剂称为平整剂。⑵整平剂作用机理

a) 在整个基底表面上,金属电沉积过程是受电化学活化控制的(即电子传递步骤是决速步。 b) 整平剂能在基底电极表面发生吸附,并对电沉积过程起阻化作用。 c) 借助于微观表面上整平剂供应的局部差异来说明

⑶常用的整平剂:1,4 -丁炔二醇、硫脲、香豆素、糖精等。

⒊对镀层起光亮作用

⑴添加剂对镀层起光亮作用的机理⑵光亮剂的结构特点

* 光亮剂通常是含有下列一些基因的物质:R-SO3H,-NH2,NH<,RN=NR,-SR,R2C=S,RO-,ROH,RCOO-

⒋添加剂的选择(添加剂常指是光亮剂、整平剂、润湿剂和活化剂)⑴在金属电沉积的电势范围内,添加剂能在镀件表面上发生吸附。⑵添加剂在镀件表面的吸附对金属电沉积过程有适当的阻化作用。

⑶毒性小,不宜挥发,在溶液中不发生化学反应,其可能的分解产物对金属沉积过程不产生有害的影响。⑷不过分降低氢在阴极析出的超电势。

⑸为了尽可能地避免埋入镀层,其在镀件表面的吸附速度应比新晶核生长速度快。⑹添加剂的加入不能对阳极过程造成不利影响等。

10.简述镀铜的常用方法,比较其优缺点

镀铜的常用方法:硫酸盐镀铜、氰化物镀铜、焦磷酸盐镀铜、膦酸盐镀铜-HEDP镀铜(1)硫酸盐镀铜

硫酸盐镀铜有普通酸性硫酸盐镀液和光亮镀液两类。普通镀液成分简单,稳定性好,电流效率高,沉积速度快,但镀液的极化作用不大,分散能力较差,镀层结晶较粗,通常是无光泽的镀层。光亮镀液是在普通镀液中加入某些光亮剂配制成的,在这类镀液中,不但可以获得高整平、全光亮的镀层,而且镀液的分散能力和镀层的结晶组织都有改善。同时电镀的工作电流密度上限提高,沉积速度更快,镀层的韧性亦好,废水处理也比较容易,成本又低,所以在工业上广泛应用。但是,在钢铁零件上用这类镀液直接镀铜至今没有成功。(2)氰化物镀铜

优缺点:氰化物电镀沉积物非常细致,气孔少,电镀液分散能力强,在非贵金属上能直接镀铜,因此氰化物电镀得到广泛的应用。其主要缺点是电流密度小,电流效率低(一般为60%一70%左右),电镀液不稳定,以及有剧毒,操作时要特别小心,车间应有可靠通风装置,并备有解毒液,以防万一。(3)焦磷酸盐镀铜

该法优点是镀液分散能力好、无毒、腐蚀性小、镀层韧性很好,缺点成本高,污水处理比较困难,镀液黏度大等缺点。

4)膦酸盐镀铜-HEDP镀铜

该法优点是镀液分散能力好、无毒、腐蚀性小、镀层韧性很好,缺点成本高,污水处理比较困难,镀液黏度大等缺点。

11.试述电解合成法的优缺点。

电解合成法的优点:1.许多用化学合成法不能生产的物质,往往可用电解合成法生产2.可在常温常压下进行3.易控制反应的方向4.环境污染少,产品经济

电化学合成的不足:1.消耗大量的电能;2.占用厂房面积大3.结构复杂4.电极易受污染,活性不易维护,阳极尤易受到腐蚀损耗

12 试述氯碱工业的三种电解生产方法的电极反应、电解槽、隔膜以及各自的优缺点。――氯碱工业的三种电解生产方法是隔膜槽电解法、汞槽电解法、离子膜槽电解法