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2013年应用电化学习题参考答案Chapter 11、 为什么不能用普通电压表测量电动势？应该怎样测量？（1）电动势的概念:电动势是一个容易精确测量但含义复杂的参数。其定义为：在电池中没有电流通过时，自发电池两个终端相之间的电位差。它是断路情况下原电池两极间的电位差，等于组成电池的各个相界面的代数和。（2）不能用普通电压表测量电动势。因为电动势=内部电压+输出电压，而普通电压表测定的电压为电池的输出电压（端电压）。（3）电动势测量具体方法很多。常用电位差计来测量，电位差计利用补偿法和比较法实现对电动势的测量。2、 试总结比较以下概念：平衡电位，标准电位，稳定电位，极化电位，过电位平衡电位：处于热力学平衡状态的电极体系的电极电位。由于氧化反应和还原反应速度相等，电荷交换和物质交换都处于动态平衡之中，因而净反应速度为零，电极上没有电流通过，即外电流等于零。这时的电极电位就是平衡电位。稳定电位：热力学非平衡电极体系在电荷交换达到平衡时的电极电位，数值不随时间而发生改变。但此时可能物质交换不平衡，如共轭体系。标准电位：25电极体系各组分均处于标准态下的电极电位。极化电位：有电流通过时电极体系的实际电极电位，因为有极化发生，所以又称极化电位。过电位：某一电流密度下极化电极电位与该电极的平衡电极电位之间的差值称为过电位。3、25锌从ZnSO4（1mol/L）溶液中电解沉积的速度为0.03A/cm2时，阴极电位为-1.013V。已知电极过程的控制步骤是电子转移步骤，传递系数为=0.45以及1mol/L ZnSO4溶液的平均活度系数=0.044。试问25时该电极反应的交换电流密度是多少？解： 电极反应：Zn2+ + 2e Zn在1mol/L ZnSO4溶液中，Zn2+ =C Zn2+=0.044; 0=-0.763V；平 =0 + = -0.763+ = -0.803V已知=-1.013V；=0.45；I=0.03 A/2 =（平 - ）= I0 + I=-0.803-(-1.013)=0.21v = =所以：I0=1.910-5 A/24、在0.1mol/L ZnCl2溶液中电解还原锌离子时，阴极过程为浓差极化。已知锌离子的扩散系数为110-5cm2/s，扩散层有效厚度为1.210-2cm。试求：（1）20时阴极的极限扩散电流密度。（2）20时测得阴极过电位为0.029V，相应的阴极电流密度应为多少？解： 电极反应：Zn2+ + 2e Zn（1） 稳态浓差极化时，极限扩散电流密度为jd = nFDc0/已知：n=2；c0 = 0.1mol/L=0.110-3mol/3；=1.210-2；D=110-52/s。所以 jd = 296500110-50.110-3/1.210-2=0.016A/2（2） 因为是浓差极化，因此阴极过电位就是浓差极化过电位，阴极电流即为扩散电流。浓差= -2.3RT(1-j/jd)/2F(1-j/jd) = -2F浓差/2.3RT=-20.029/0.0581=-11-j/jd = 0.1j= 0.9jd=0.90.016=0.0144 A/cm25、试比较电化学极化与浓度极化的异同？极化是电流通过电极时，电极电势偏离平衡电极电势的现象。浓差极化：在电化学过程中，由于有电极反应发生，造成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。或者说浓度极化是因为电解质溶液中物质传递速率慢引起。电化学极化在电解过程中，由于电极表面上电子交换过程（电荷传递或电化学反应）进行缓慢而引起的电极电势偏离平衡电极电势的现象。浓度极化和电化学极化的特点：见讲义6、试述交换电流密度的意义和影响因素。（1）交换电流密度定义在平衡电位下，电极过程正反应和逆反应（或氧化和还原反应）的速率相等，正反应）或逆反应）的速率即为交换电流密度。 E=Ee （2）交换电流密度的意义Exchange current density is a very useful parameter in the description of the kinetics of electrode reactions but is primarily a measure of the amount of electron-transfer activity in the equilibrium situation. A high value indicates that much simultaneous oxidation and reduction is taking place and is indicative of an inherently fast reaction. A small value suggests that only a small amount of electron-transfer occurs at the equilibrium potential and is a symptom of a slow electrode reaction. （3）交换电流密度的影响因素a) rate constantsb) electrode materialsc) concentrationChapter 21、 产率和收率有和区别？如何提高反应的产率？Yield=moles of reactant converted to product / moles of reactant consumedRecoverymoles of product / initial moles of reactant产率是实际产量与理论产量的比值，反映了反应的选择性。收率是实际产量与反应物质量比值，受反应的转化率和产率的影响。提高产率的关键是抑制副反应，提高反应的选择性。同时要提高反应的转化率。2、 从电化学一般原理论述如何降低电解过程的电耗。电解时电能消耗为：W=据此进行论述。关键是提高电流效率和降低槽电压。3、准数和准数方程有何用处？举例说明。（1）什么是准数。（2）什么是准数方程。（3）准数方程作用。结合实例说明4、试述电解槽设计的基本原则。1) Simplicity2) Operational convenience and reliability3) Integration and versatility4) Reaction engineering parameters5) Running costs5、请用中文归纳和总结“电流分布和电位分布”这一节所讲述的内容。略Chapter 31、提高氯碱生产中“氯氧差”可以采取哪些措施？并通过计算说明pH的影响。 a) 提高电极材料的电催化选择性，即电极对析氯反应催化活性高，而析氧反应催化活性低。b) 降低pH值，氧的电极电位增加 (e.g. pH=4, E=0.99V)。（计算说明）c) 增加Cl-的浓度来降低。d) 增加电流密度 I， 增加的比 快。2、氯碱生产中电能的消耗占生产费用的30%，以隔膜槽为例简述降低能耗的主要措施。 要点：（1）总能耗包括电能消耗和热能消耗（蒸发耗能）。电解时电能消耗为：W=氯碱生产理论耗电量k一定，节能关键是提高电流效率和降低槽电压。（2）槽电压 降低槽电压的措施： A 减小理论分解电压Ea) The concentration of salt in anodic regionCNaCl, , Eb) TemperatureT, , , Ec) The concentration of caustic sodium CNaOH, , E B 降低极化Anode graphite 1.0V, DSA 0.1VCathode Fe 0.3V, Ni coating =0.1V C 降低欧姆压降iRbath， iRmembrane， iRother（3）提高电流效率关键是抑制副反应。阳极主要副反应：析氧反应。阴极副反应：吸氧反应溶液中副反应：氯溶后引起其它反应3、氯碱生产有哪几种主要方法？试述各自特点。（1）三种方法原理（2）特点和比较MercurycellDiaphragm cellMembrane cellCell voltage, V4.43.53.0Current density, A/cm21.00.20.4Current efficiency for Cl2, %979698.5Energy consumption, kWh per ton of NaOH(a) electrolysis only(b) electrolysis+evoporation to 50% NaOH315031502550326024002520Purity Cl2, %99.29899.3Purity H2, %99.999.999.9Cl- in 50% NaOH, %0.003120.3Concentration prior to evaporation, %501235Mercury pollutionYesNoNoRequirement for brine purificationSomeMore stringentVery extensiveThe initial cost901001007585Operating cost10010510085954、How many tons of Cl2, H2, NaOH can be produced in the cell which electrode area are 10 m2 (the area of anode and cathode is same) when the current density is 10 kA/m2 .If the anode current efficiency is 97%, how many tons of Cl2 can be in practice produced？ 2NaCl + H2O 2NaOH + Cl2 + H2由法拉第定律得：如果电流效率是97%的话，生成5、隔膜槽用石墨阳极时，槽电压为4.5伏，改用金属阳极后，槽电压降为3.5伏，假设阳极电流效率为96%，问同样生产1吨氯气，用金属阳极后节省多少电能？（氯原子量35.5） 由于电化当量：理论耗电量： k=1/K=/71=0.755 Ah/g 节约电能： =7.86 WhChapter 41. 简述熔盐电解和水溶液电解的特点。（1）熔盐电解和水溶液电解比较相同点：电解不同点：电解质不同（2）特点：熔盐与水溶液两种电解质的特性电化学过程特点：熔盐电解电化学极化小：熔盐中的电极过程由于在高温小进行。电子转移步骤比水溶液中的电解过程高的多；浓度极化也很小：高温下离子移动速度快；不存在结晶过电位：如果阴极过程是金属还原，由于高温熔盐电解时通常生成液态金属；容易发生副反应：高温下，熔盐化学性质活泼；高温下电解质对电极材料有腐蚀破坏作用。2. 简述金属电解提取与电解精炼的原理。（1） 两种过程的电化学原理：电解过程（电极、反应）（2） 电解精炼原理（分离）3. 生产1吨铝的能耗是生产1吨钢的24倍，降低能耗对铝生产具有重要意义。请根据所学知识提出降低能耗的方法和措施。 答：能耗包括电耗和热能消耗。从电化学角度分析，电耗为 W=即降低电耗主要要从降低槽电压和提高电流效率两方面考虑。铝电极阴极电流效率一般在8595%。提高电流效率的主要思路是减少副反应，尽量降低铝在融盐中的溶损。铝电解电压效率V很低（30%左右），降低槽电压主要是要提高电压效率。可以从槽电压的构成来分析减少槽电压的办法。主要为：减少阳极极化（材料、电极结构与制作等）、减少电极上的欧姆压降（材料）、降低电解质的欧姆压降（但受热平衡的限制）。根本的措施是提出新的生产工艺（主要是改变电解质），设法降低电解质的熔点和电导率，从而降低电解温度。4. In general, the copper salts are added into the solution in the industrial cementation of Cd, Co, Ni with Zn powder to improve purification process. Why?(1)加入Cu盐后，可以使Zn粉末置换出Cu，覆盖在Cd、Co、Ni表面形成Cu-Zn微电池，产生一定电动势，电动势促进Zn粉置换的速度，使金属离子发生还原反应的速率加快。(2)随着Zn粉置换出Cd、Co、Ni，溶液浓度下降，加入Cu盐充当电解质的作用，提高电解的程度。(3)加入铜盐后，Zn粉置换出Cu，Cu单质在Cd、Co、Ni表面形成一层均匀、致密的膜。(4)另一方面在金属电极的表面可能发生析氢反应，由于Cu的电极电位高于氢的电极电位，所以减少了析氢反应的发生。4. 将ppt中铝电解“Overall process ”部分译成中文。要求准确、通顺。略Chapter 51. 简述电镀、阳极氧化和电泳涂装的原理和特点 。电镀、阳极氧化和电泳涂装都是通过电解来对金属表面进行精饰的技术。三种方法的电解原理（略）电镀：以待镀零件为阴极，通过电解，金属阳极离子在阴极上还原沉积，从而在金属表面得到金属层。阳极氧化：待饰金属作阳极，通过电解，阳极发生氧化，表面形成一层氧化膜。电泳涂装：通过电解，电泳涂料在金属表面沉积形成聚合物层。2. 电镀槽分散能力受哪些因素影响？如何改善电镀槽的分散能力？（1）什么是分散能力（2）电镀槽分散能力的影响因素（略）。（3）改善方法：(1)添加支持电解质来增加电导率。(2)添加无机金属盐或有机混合物来增加阴极极化。(3)改变金属离子在溶液中的状态，e.g. 混合离子。(4)改变几何因素，e.g. 辅助阳极。3. 在电镀铜时反应为 Cu2+2H2CO+4OH+ Cu+H2+2H2O+2HCO2- 假设Cu2+的转化率为25%，电镀液的体积为1升，各物质浓度分别为CuSO4 0.05M, NaOH 0.25M，甲醛(H2CO) 0.33M。计算铜离子和甲醛的浓度及放出H2体积。解：Cu2+浓度为C Cu2+=0.05（1-25%）=0.0375mol/L参加反应Cu2+量n=（0.05-0.0375）1=0.0125mol设消耗甲醛物质的量为x ，由反应计量比Cu2+ 2H2CO可知1x=20.0125所以得x=0.025mol剩余甲醛浓度为CH2CO=0.33-0.025/1=0.305mol/L设放出H2物质量为y,由Cu2+ H2，y1=10.0125,则标况下H2气体VH2=22.40.0125=0.28L4. 请将5.4.2小节（ The plating bath）ppt内容翻译成中文。略5. 请简述溶液中结晶和电结晶的异同。略Chapter 61. 动力电池即需要能量密度高，又需要功率密度高。试用所学电化学知识谈谈如何设计高性能动力电池？略2. 简述锌锰电池、镍镉电池、铅酸电池、锂离子电池和镍氢电池工作原理、特点和用途 答：锂离子电池工作原理：以LiCoO2为正极材料,石墨为负极材料的锂离子电池,充放电反应式为：LiCoO2+6C Li1-xCoO2+Li