物理化学电子教案—第九章.ppt

物理化学电子教案第十章,第十章电解与极化作用,10.1分解电压,10.3电解时电极上的竞争反应,10.2极化作用,10.4金属的电化学腐蚀、防腐与金属的钝化,10.5化学电源,*10.5电有机合成简介,本章学习目的和要求,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。,4.了解金属腐蚀的原因和各种防腐的方法。,如前所述，对于G0的反应，必须对系统作功，例如加入电功，反应才能进行。电解反应即是其中一种。,前言,使电能转化为化学能的装置称为电解池。当一个电池与外接电源反向对接时，只要外加的电压大于该电池的电动势E,电池接受外界所提供的电能，电池中的反应发生逆转，原电池就变成了电解池。,实际上若使电解池连续正常工作，所加电压E外E。,如：电解饱和食盐水制H2、Cl2和NaOH的氯碱工业中，E=1.3V，槽电压为2030V，为的是克服电阻和极化作用（在原电池放电与电解池电解时，都有一定量电流通过电极，电极平衡状态被破坏），此过程为不可逆的，我们把这种电极电势偏离平衡电极电势的现象称为电极的极化。,本章介绍电解池的极化作用、电解在工业上的应用及金属的防腐和化学电源等。,10.1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。,电解：,在电池上若外加一个直流电源，并逐渐增加电压直至使电池中的物质在电极上发生化学反应，这就是电解过程。,下图是一个实验：在大气压力下，于1moldm-3的盐酸溶液中放入两个铂电极，电极两端的电压由伏特计V测出，电流由安培计G测出，电位大小由可变电阻R的位置调节。当外加电压很小时，几乎没有电流，电压增加，电流仍增加很小。但当电压增到某一定值后，电流随电压的增加而急剧增加，如下图：,这时两极出现气泡。图中的D点所示电压，是使电解质在两极继续不断进行分解所须最小外加电压，称为分解电压。,在外加电压作用下，氢离子向阴极（负极）运动，在阴极被还原为氢气。,氯离子向阳极（正极）运动，在阳极被氧化为氯气。,上述电解产物与溶液中的相应离子在阴极和阳极上又构成氢电极与氯电极，从而形成如下电池：,此电池的电动势与外加电压相反，称为反电动势。,当开始施加外电压时，几乎无电流通过，阴、阳极上无H2(g)和Cl2(g)放出。,随着E的增大，电极表面产生少量氢气和氯气，但压力低于大气压，无法逸出。,所产生的氢气和氯构成了原电池，外加电压必须克服这反电动势，继续增加电压，I有少许增加，如图中1-2段,下面分析一下电流-电压曲线：,当外压增至2-3段，电解产物浓度达到最大，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。,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。,我们把外加电压等于分解电压时两极的电极电势分别称为它们的析出电势。若外加电压大于分解电压，则电流I=(VEmax)/R，R指电解池电阻。,以下，我们由表列实验结果，来分析分解电压与原电池的电动势（即理论分解电压，由能斯特方程算得值）的关系。,中间三行分解产物均是氢气与氧气，实质是电解水。,由此可看出，用平滑铂电极时，实际的E分解常大于E理论。即使将溶液、导线和接触点的电阻降到可忽略不计的程度，分解电压还是大于原电池电动势。这主要是由于析出电极电势偏离平衡电极电势的原因。为了对每一个电极上的过程进行深入的研究，应当研究电流密度与电极电势的关系。,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,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。,10.2极化作用,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：,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。,1浓差极化,原因：由于电解过程中电极附近溶液的浓度和本体溶液（指离开电极较远，浓度均匀的溶液）浓度发生了差别所致。,Ag+接受电子生成Ag速度快，而Ag+从溶液中向电极表面扩散慢。,如：Ag+（aq.）Ag(s)电极,（1）阴极Ag+e-Ag,（2）阳极AgAg+e-,结论：,浓差极化使阴减小，阳增加,可通过加热、搅拌降低浓差（因电极表面有扩散层存在，不可能完全消除浓差）。,极谱分析（利用滴汞电极上所形成的浓差极化）。,电极反应总是分若干步进行，若其中一步反应速率较慢，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。,2电化学极化,如：氢电极,（1）阳极：H22H+2e-,（2）阴极：2H+2e-H2,r(电化学反应速率)r(电子迁移速率)，导致阳极缺电子，即正电荷积累，致使IR(阳)升高,r(电化学反应速率)r(电子迁移速率)，导致阴极富余电子，即负电荷积累，致使IR(阴)降低,结论：活化极化极化=IR-R,复习,3.极化曲线超电势的测定,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。,例：298K时，用Pb（s）电极来电解H2SO4溶液（0.10molkg-1，=0.265），若在电解过程中把Pb阴极与另一摩尔甘汞电极相连组成原电池，测得其电动势E=1.0685V，试求H2（g）在Pb上的超电势。（只考虑H2SO4的一级电离。已知甘汞=0.2802V）,解：E=甘汞不可逆=1.0685V而不可逆=可逆H2(2H+2e-=H2)所以：H2=E甘汞可逆=1.06850.2802RT/FlnH+=0.78830.05916lg（0.2650.1）=0.6950V,(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,阴极曲线,阳极曲线,电解池,(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。,电解池中两电极的极化曲线,原电池,去极化作用：,加入某物质（去极化剂）较易在电极上反应，可使极化减小或限制在一定程度内。,影响超电势的因素：,电极材料、电极的表面状态、电流密度、温度、电解质的性质、浓度及溶液中的杂质等。,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，不可忽略。,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。,4.氢超电势,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，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,Tafel公式（Tafelsequation）,早在1905年，Tafel发现，对于一些常见的电极反应，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，j是j的单位，这样表示使对数项中为纯数。a,b是常数。常数a是单位电流密度时的超电势值，它与电极的材料、电极表面状态、溶液组成以及实验温度等有关。,对大部分金属来说，b在常温下接近于0.050V。,氢超电势的大小基本上决定于a的数值，因此a的数值愈大，氢超电势也愈大，其不可逆程度也愈大。,10.3电解时电极上的竞争反应,1.阴极上的反应,判断在阴极上首先析出何种物质，应把可能发生还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）。,2.阳极上的反应,判断在阳极上首先发生什么反应，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应。,发生氧化的物质有：,（2）阳极本身发生氧化,（1）阴离子，如等,3.金属离子的分离,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达到分离的目的。,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。,4.电解过程的一些其他应用（共沉积制备合金）,调整两种离子的浓度，使其具有相等的析出电势,例1、298K时，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(Ag+/Ag)=0.799V,(Ni2+/Ni)=-0.23V,(Cd2+/Cd)=-0.402V,H2在Ag上超电势=0.20V，在Ni上=0.24V，在Cd上=0.30V,Cd,Ag,Ni,H2,例2：在25C时，电解0.5molkg-1CuSO4中性溶液，H2在Cu电极上的超电势为0.230v，试求在阴极上析出H2时，溶液中Cu2+的浓度为若干。,例3：（1）设阳极和阴极的超电势均为0.7V，还原电位均为1.20V，则阳极电位等于_，阴极电位等于_。(2)电池充电时，充电电压比平衡电动势高、低还是相等_。,(1)1.9V；0.5V(2)高,例4：电化学中电极反应的速度以表示，极化是_的现象，极化主要有_,_。超电势是。,电流密度；电极电位偏离平衡电位或静止电位；浓差极化，电化学极化；有电流通过时，电极电位对平衡电位的偏离。,例5：在298K，标准压力p下，某混合溶液中，CuSO4浓度为0.50molkg-1，H2SO4浓度为0.01molkg-1，用Pt电极进行电解，首先Cu沉积到Pt上，若H2(g)在Cu(s)上的超电势为0.23V，问当外加电压增加到有H2(g)在电极上析出时，溶液中所余Cu2+的浓度为多少？（设活度系数均为1，H2SO4作一级电离处理）已知：(Cu2+/Cu)=0.337V,解：阴极：Cu2+2e-Cu(s)阳极：2OH-0.5O2+H2O+2e-，当有0.5mol/kg的Cu析出就有20.5mol/kg的OH-氧化，溶液中有20.5mol/kgH+留下，,(H+/H2)=RT/Flna(H+)(H2)=-0.2473V当H2析出时，(H+/H2)=(Cu2+/Cu)=(Cu2+/Cu)RT/2Fln1/a(Cu2+)a(Cu2+)=1.7510-20m(Cu2+)=1.7510-20mol/kg,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。,（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,金属的电化学腐蚀,铜板上的铁铆钉为什么特别容易生锈？,暴露在空气中，表面被潮湿空气或雨水浸润，空气中的和海边空气中的NaCl溶解其中，形成电解质溶液，这样组成了原电池,铜作阴极，铁作阳极,所以铁很快腐蚀形成铁锈。,电化学腐蚀示意图,铁锈的组成,铁在酸性介质中只能氧化成二价铁：,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沉淀，又可能部分失水生成,所以铁锈是一个由等化合物组成的疏松的混杂物质。,腐蚀时阴极上的反应,(1)析氢腐蚀,酸性介质中在阴极上还原成氢气析出。,设,铁阳极氧化，当时认为已经发生腐蚀，,这时组成原电池的电动势为，是自发电池。,如果既有酸性介质，又有氧气存在，在阴极上发生消耗氧的还原反应：,这时与(-0.617V)阳极组成原电池的电动势为,（2）耗氧腐蚀,显然耗氧腐蚀比析氢腐蚀严重得多。,金属的防腐,（1）非金属防腐在金属表面涂上油漆、搪瓷、塑料、沥青等，将金属与腐蚀介质隔开。,（2）金属保护层在需保护的金属表面用电镀或化学镀的方法镀上Au，Ag，Ni，Cr，Zn，Sn等金属，保护内层不被腐蚀。,（3）电化学保护,1保护器保护将被保护的金属如铁作阴极，较活泼的金属如Zn作牺牲性阳极。阳极腐蚀后定期更换。,2阴极电保护外加电源组成一个电解池，将被保护金属作阴极，废金属作阳极。,3阳极电保护用外电源，将被保护金属接阳极，在一定的介质和外电压作用下，使阳极钝化。,（4）加缓蚀剂在可能组成原电池的系统中加缓蚀剂，改变介质的性质，降低腐蚀速度。,（5）制成耐蚀合金在炼制金属时加入其它组分，提高耐蚀能力。如在炼钢时加入Mn，Cr等元素制成不锈钢。,金属的钝化,钢在H2SO4中的阳极极化曲线分三个区域:,（1）AB段为活性溶解区,FeFe2+2e-,（2）BF段为钝化区：达B点时，铁表面开始钝化。B点后，j迅速,达E点j减少到一个很小值，铁进入钝化状态，在H2SO4中不再溶解。EF区域，的改变对j几乎无影响。,（3）FD段为过钝化区：F点后，j可能是Fe3+(FeFe3+3e-)的生成,也可能是氧的析出。,应用:化肥厂的碳化塔上就常利用这种方法防止碳化塔的腐蚀。,理论：成相膜理论（致密氧化膜：1091010m）吸附理论（O2的吸附层）,10.5化学电源,化学电源分类,一次电池,电池中的反应物质进行一次电化学反应放电之后，就不能再次利用，如干电池、纽扣电池。,这种电池造成严重的材料浪费和环境污染。,金属封顶盖,封口纸,颈圈纸,金属外壳,绝缘纸筒,电芯纸托,底纸,金属底板（）,锌筒,电解液NH4Cl，水ZnCl2，淀粉,电芯MnO2，C，NH4Cl，水,(+)碳电极,一次电池结构示意图,燃料电池,又称为连续电池,以氧气作为正极反应物质组成燃料电池。,一般以天然燃料或其它可燃物质如氢气、甲醇、天然气、煤气等作为负极的反应物质,氢氧燃料电池,H2(pH2)|H+或OH-(aq)|O2(pO2),氧电极：O2+4H+4e-2H2O,氢电极：2H2(pH2)4H+4e-,净反应：2H2(pH2)+O2=2H2O,在pH114范围内，标准电动势1.229V,多孔电极,离子交换膜,氢氧燃料电池示意图,燃料电池的优点：,1、高效,化学能,热能,机械能,化学能,电能,机械能,80%,2、环境友好,不排放有毒的酸性氧化物，CO2比热电厂少40%，,3、重量轻，比能量高；,用于航天事业，汽车工业，应急电源等。是21世纪首选的清洁能源。,产物水可利用，无噪音；,4、稳定性好，可连续工作，可积木式组装，可移动,氢氧燃料电池的难点：,氢气的储存,液氢要求高压、低温，有危险性,钢瓶储氢，可使用氢气只占钢瓶质量的1%，同样有危险性,研制储氢金属和其他储氢材料,研制用太阳能制备氢气,蓄电池,又称为二次电池，可充电电池。,这种电池放电后可以充电，使活性物质基本复原，可以重复、多次利用。,如常见的铅蓄电池和锂离子电池等。,Li离子电池的工作原理,负极：石墨，焦炭,正极：,Li离子电池的工作原理,负极,正极,锂原子,石墨,Li离子电池又称为摇椅电池,Li离子电池的优点：,1.通讯，如手机；,Li离子电池的用途：,1.重量轻（从金属壳到塑料壳），能量密度大；,2.优良、安全，有防暴阀，环境污染较小；,3.比能量高，循环寿命长；,4.电压较高（3.6V）,成本相对较低。,2.电子器件，电脑等；,3.人造器官用电，如心脏起博器等。,本章题目类型,一、分解电压与超电势二、析出电势与超电势离子析出次序离子的电化学方法分离控制离子放电,阴极反应:,IR越负，越易氧化析出,阳极反应:,IR越正，越先还原析出,