物理化学课件08章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章电解与极化作用,8.1 分解电压,8.3 电解时电极上的竞争反响,8.2 极化作用,8.1 分解电压,理论分解电压,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:,分解电压的测定,使用Pt电极电解HCl，参加中性盐用来导电，实验装置如下图。,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,分解电压的测定,阳极,阴极,HCl,外加电压很小时，几乎无电流通过，阴、阳极上无,H,2,(g),和,Cl,2,(g),放出。,随着E的增大，电极外表产生少量氢气和氯气，但压力低于大气压，无法逸出。,所产生的氢气和氯气构成了原电池，外加电压必须抑制这反电动势，继续增加电压，I 有少许增加，如图中1-2段。,分解电压的测定,电,流,I,电压,E,测定分解电压时的电流-电压曲线,O,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,E,b,max,。,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,。,电,流,I,电压,E,测定分解电压时的电流-电压曲线,分解电压的测定,O,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 和 ，以及克服电池电阻所产生的电位降 。这三者的加和就称为实际分解电压。,显然分解电压的数值会随着通入电流强度的增加而增加。,实际分解电压,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,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,。,8.2,极化作用,根据极化产生的不同原因，通常把极化大致分为两类：,浓差极化和电化学极化。,1浓差极化 在电解过程中，电极附近某离子浓度由于电极反响而发生变化，本体溶液中离子扩散的速度又赶不上弥补这个变化，就导致电极附近溶液的浓度与本体溶液间有一个浓度梯度，这种浓度差异引起的电极电势的改变称为浓差极化。,8.2,极化作用,用搅拌和升温的方法可以减少浓差极化。,也可以利用滴汞电极上的浓差极化进展极谱分析。,例如电解一定浓度的硝酸银溶液,阴极反响,电解时,阳极上有类似的情况，但,2电化学极化,电极反响总是分假设干步进展，假设其中一步反响速率较慢，需要较高的活化能。,为了使电极反响顺利进展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。,为了使超电势都是正值，把阴极超电势 和阳极超电势 分别定义为：,阳极,上由于超电势使,电极电,势变大,，,阴极,上由于超电势使,电极电势变小,。,超电势,在某一电流密度下，实际发生电解的电极电势 与可逆电极电势 之间的差值称为超电势。,超电势的测定,甘汞电极,电位计,电极1,电极2,A,+,极化曲线polarization curve,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。,(,1,)电解池中两电极的极化曲线,随着电流密度的增大，两电极上的超电势也增大。,阴极,析出电势,变小,由于极化使外加的电压增加，额外消耗了电能。,阳极,析出电势,变大，,电解池中两电极的极化曲线,E,可逆,阴,E,可逆,+,E,不可逆,阳,阴极曲线,阳极曲线,电解池,j,(电流密度),电极电势,极化曲线polarization curve,极化曲线polarization curve,(2) 原,电池中两电极的极化曲线,原电池中，,负极是阳极,，,正极是阴极,。,利用这种极化降低金属的电化腐蚀速度。,随着电流密度的增加，,阳极析出电势变大,，,阴极析出电势变小。,由于极化，使原电池的作功能力下降。,极化曲线polarization curve,原电池中两电极的极化曲线,j,(电流密度),E,可逆,E,可逆,-,E,不可逆,阴,阳,原电池,负,极,曲,线,正,极,曲,线,电极电势,电解质溶液通常用水作溶剂，在电解过程中， 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。,从氢气在几种电极上的超电势，在石墨和汞等材料上，超电势很大，而在金属,Pt,，特别是镀了铂黑的铂电极上，超电势很小。,影响超电势的因素很多，如电极材料、电极外表状态、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,所以标准氢电极中的铂电极要镀上铂黑。,氢在几种电极上的超电势,Tafel 公式Tafels equation,早在1905年，Tafel 发现，对于一些常见的电极反响，超电势与电流密度之间在一定范围内存在如下的定量关系：,式中,j,是电流密度，,是单位电流密度时的超电势值,，与电极材料、表面状态、溶液组成和温度等因素有关， 是超电势值的决定因素。,在常温下接近于,阴极上的反响,判断在阴极上首先析出何种物质，应把可能发生复原物质的电极电势计算出来，同时考虑它的超电势。电极电势最大的首先在阴极析出。,电解时阴极上发生复原反响。,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 ）。,8.3 电解时电极上的竞争反响,阳极上的反响,判断在阳极上首先发生什么反响，应把可能发生氧化物质的电极电势计算出来，同时要考虑它的超电势。电极电势最小的首先在阳极氧化。,电解时阳极上发生氧化反响。,发生氧化的物质有：,2阳极本身发生氧化,（1,）阴离子，如 等,分解电压,电解水溶液时，因 或 的析出，会改变 或,的浓度，计算电极电势时应把这个因素考虑进去。,确定了阳极、阴极析出的物质后，将两者的析出电势相减，就得到了实际分解电压。,因为电解池中阳极是正极，电极电势较高，,所以,用,阳极析出电势减去阴极析出电势。,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 以下，这样要求两种离子的析出电势相差一定的数值。,金属离子的别离,如果溶液中含有多个析出电势不同的金属离子，可以控制外加电压的大小，使金属离子分步析出而到达别离的目的。,阴极产品,：电镀、金属提纯、保护、产品的美化（包括金属、塑料）和制备 及有机物的还原产物等。,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。,电解的应用,