电化学原理考题.pdf

第十章半导体电化学与光电化学基础 3. 4. 分类分类 材质材质 导电粒导电粒 子子 通电后的变化通电后的变化 随温度的变化随温度的变化 电子导体电子导体 金属、石墨金属、石墨 电子电子 除发热外无变除发热外无变 化化 T T ，电阻，电阻 ; ; 导电能力下降导电能力下降 离子导体离子导体 液态电解质液态电解质 固态电解质固态电解质 离子离子 体系组成发生体系组成发生 变化变化 T T ，电阻，电阻 ； 导电能力增强导电能力增强 离子导体与电子导体的比较离子导体与电子导体的比较 电极电位的计算与测量 以以 为例，计算电极为例，计算电极 电位思路如下：电位思路如下： 与参比电极组成原电池，如与标准氢电与参比电极组成原电池，如与标准氢电 极组成原电池：极组成原电池： 将将E E公式分解为两部分：（先写出电极、公式分解为两部分：（先写出电极、 电池反应）电池反应） 2 2 Zn ZnZn ZnZnHatmPHPt ZnH H 2 2 2 2 11, 电池反应：电池反应： ZneZn 2 2 HZnHZn2 2 2 eHH22 2 2 2 2 00 ln 2 ln H Zn Zn H PF RT E a nF RT EE 反 生 2 2 2 00 lnln 2 H H H Zn Zn Zn PF RT 2 2 lnln 2 2 00 Zn Zn H H PF RT 参 Zn 对反应：对反应： 的含义：的含义：标准状态下的平衡电位标准状态下的平衡电位 RneO 还原态 氧化态 ln 0 nF RT 0 最后得到：最后得到： E F RT Zn Zn ZnZn 2 ln 2 0 研 E 影响电极电位的主要因素有哪些？ 1电极的本性 2金属的表面状态 3金属的机械变形和内应力 4溶液的pH值 5溶液中氧化剂的存在 6溶液中络合剂的存在 溶剂的影响。 电极反应与化学反应的主要区别：电极反应与化学反应的主要区别：除了物质的变化外，还有电荷除了物质的变化外，还有电荷 的转移。的转移。 Fe-H2O系的电位系的电位-pH图的分析图的分析 一、电毛细曲线及一、电毛细曲线及 其测定其测定 两相间均存在界面张力，两相间均存在界面张力， 电极体系界面张力不仅与电极体系界面张力不仅与 界面层的物质有关，而且界面层的物质有关，而且 与电极电位有关，此界面与电极电位有关，此界面 张力随电极电位变化的张力随电极电位变化的现现 象象叫做电毛细现象。叫做电毛细现象。 第三章 电极/溶液界面的结构与性质 双电层双电层结构结构 一一、电极电极/ /溶液界面的基本溶液界面的基本结构结构 静电静电作用使相反电荷靠近，倾向于紧贴电极表面作用使相反电荷靠近，倾向于紧贴电极表面 排列，图排列，图3.113.11。而热运动使带电粒子倾向于均匀。而热运动使带电粒子倾向于均匀 分布，使剩余电荷不能紧贴电极表面分布，有一分布，使剩余电荷不能紧贴电极表面分布，有一 定扩散性，形成扩散层。二者相互作用使不同条定扩散性，形成扩散层。二者相互作用使不同条 件下电极体系中，双电层由件下电极体系中，双电层由紧密层紧密层和和分散层分散层两部两部 分组成。分组成。 表面剩余电荷为零或电极表面剩余电荷为零或电极/ /溶液界面不存在离子双电层溶液界面不存在离子双电层 时的电极电位时的电极电位，其数值大小相对于某一参比电极获得其数值大小相对于某一参比电极获得。 剩余电荷是相电位存在重要而非唯一原因剩余电荷是相电位存在重要而非唯一原因, ,各种极化等各种极化等 因素都可形成一定的相间电位因素都可形成一定的相间电位，零电荷电位仅表示电极零电荷电位仅表示电极 表面剩余电荷为零时的电位表面剩余电荷为零时的电位。而非电极而非电极/ /溶液相间电位溶液相间电位 或绝对电极电位零点或绝对电极电位零点。 零电荷电位用经典毛细管法测量零电荷电位用经典毛细管法测量，对固态金属对固态金属，可采用可采用 间接测量方法间接测量方法，如硬度如硬度，润湿性等润湿性等。 零电荷电位零电荷电位 吸附过程体系自由能变化吸附过程体系自由能变化 必要条件必要条件是吸附过程伴随着是吸附过程伴随着体系自由能降低体系自由能降低，主要来主要来 源于活性粒子与溶剂间源于活性粒子与溶剂间，与电极表面与电极表面、吸附层中活性吸附层中活性 粒子自身及活性粒子与水偶数层的相互作用粒子自身及活性粒子与水偶数层的相互作用，几种作几种作 用综合结果致体系自由能降低用综合结果致体系自由能降低，使吸附发生使吸附发生。 ( (1 1) ) 活性粒子与溶剂间相互作用活性粒子与溶剂间相互作用 ( (2 2) )活性粒子与电极表面活性粒子与电极表面相互作用相互作用 包括包括静电作用和化学作用静电作用和化学作用 ( (3 3) )吸附层中活性粒子间相互作用吸附层中活性粒子间相互作用 ( (4 4) )活性粒子与水偶极层相互作用活性粒子与水偶极层相互作用 3、若电极 的双电层电容与电极电位无关， 数值为 。已知该电极的 。 试求：(1)平衡电位时的表面剩余电荷密度。 (2)在电解质溶液中加入1mol/L的 后，电极表面剩 余电荷密度和双电层电容会有什么变化？ (3)通过一定大小的电流，使电极电位变化到 时的 电极表面剩余电荷密度。 ) 1(| 4 aZnSOZn 2 /36cmF VV63. 0,763. 0 0 平 解：(1)由于电极的双电层电容为恒定值，根据公式 ， 可得平衡电位时的表面剩余电荷密度为： q C 2 0 /9.74)3.60763. 0(36)(cmCCCq 平 (3) 当电极通入电流使电极电位变化到 时，表 面剩余电荷密度为： 2 0 /2 .34)63. 032. 0(36)(cmCCCq V32.0 (2) 当在电解质溶液中加入1mol/L的NaCl 后，会发生 Cl-的特性吸附，导致紧密层的厚度减小，从而使双电 层的电容增加。题目已知，吸附使双电层电容改变时 电极电位不发生变化，而电极表面剩余电荷密度是与 电极电位相关的，电极电位不变，电极表面剩余电荷 密度不变，只是原来被水分子吸附的位置改由氯离子 吸附了。 6、已知汞在0.5mol/kgNa2SO4溶液中的电毛细和微分 电容曲线如图3.45中曲线1所示。加入某物质后，这两 种曲线改变为曲线2的形式。试分析加入了什么类型的 物质？并画出对应于图3.45中 处汞在后一种溶液中的双 电层结构示意图和电位分布图。 0 解：由图知电毛细曲线的零电荷电位向负方向发生 移动，微分电容曲线上在 段的Cd增大，表明 双电层的厚度降低，可以推断电极表面有阴离子吸 附，即加入了表面活性阴离子。 电位中汞在该溶 液的双电层结构和电位分布图如下图所示。 0 0 一一.电极的极化电极的极化 可逆电极可逆电极(reversible electrode)：氧氧 化还原反应速度相等，物质交换和电荷化还原反应速度相等，物质交换和电荷 交换平衡交换平衡 。 不可逆电极不可逆电极(irreversible electrode)： 电荷交换平衡，物质交换不平衡电荷交换平衡，物质交换不平衡 电荷交换不平衡，物质交换不平衡电荷交换不平衡，物质交换不平衡 0 净 i 0 净 i 0 净 i 第四章 电极过程概述 极化极化(polarization)：有电流通过时，有电流通过时， 电极电位偏离平衡电位的现象电极电位偏离平衡电位的现象 过电位过电位(overvoltage)：在一定电流密在一定电流密 度下，电极电位与平衡电位的差值度下，电极电位与平衡电位的差值 极化值：极化值：有电流通过时的电极电位（极有电流通过时的电极电位（极 化电位）与静止电位的差值化电位）与静止电位的差值 静 极化产生的原因极化产生的原因 电流流过电极时，产生一对矛盾作用：电流流过电极时，产生一对矛盾作用： 极化作用极化作用电子的流动在电极表面积累电电子的流动在电极表面积累电 荷，使电极电位偏离平衡状态；荷，使电极电位偏离平衡状态； 去极化作用去极化作用电极反应吸收电子运动传递电极反应吸收电子运动传递 的电荷，使电极电位恢复平衡状态。的电荷，使电极电位恢复平衡状态。 极化是由上述两种作用联合作用的结果。极化是由上述两种作用联合作用的结果。 二二.极化曲线极化曲线 极化曲线极化曲线 (polarization curve) ： 过电位（过电极电位）过电位（过电极电位） 随电流密度变化的关随电流密度变化的关 系曲线。系曲线。 极化度极化度 (polarizability)： 极化曲线上某一点的极化曲线上某一点的 斜率斜率 。 曲线不锈钢在硫酸中的极化 阳极极化阳极极化 阴极极化阴极极化 di d di d 极化曲线的测量方法极化曲线的测量方法 按控制信号分 ）控制电流法（恒电流法 ）控制电位法（恒电位法 按电极过程特征分 稳态法 暂态法 电化学反应速度的表示方法电化学反应速度的表示方法 RneO 由化学动力学可知由化学动力学可知,反应速度是用单位时间生成的反应速度是用单位时间生成的 物质的量来表示物质的量来表示,如果用如果用(mol/s.m2)表示单位时间表示单位时间 单位面积参加反应的物质的量单位面积参加反应的物质的量. 则对于一个电极反则对于一个电极反 应应,如如 即每生成一个即每生成一个R分子需要消耗分子需要消耗n个电子个电子,则反应速度为则反应速度为v 时应有时应有nvF库仑电量通过库仑电量通过,而而nFv(C/s.m2)= nFv(A/m2)恰恰 是电流密度的量纲是电流密度的量纲,所以得到所以得到: 由于由于nFnF是一常数是一常数, ,所以所以j j完全取决于完全取决于v,v, 即即j j可以表示可以表示 电极反应的速度电极反应的速度. .在电化学中电流密度就是电化学在电化学中电流密度就是电化学 反应速度的同义语反应速度的同义语. . nFvj 三三.极化图极化图(polarization diagram) 极化图：极化图：把表征电极过程特征的阴极极把表征电极过程特征的阴极极 化曲线和阳极极化曲线画在同一个坐标化曲线和阳极极化曲线画在同一个坐标 系中，这样组成的曲线图叫极化图。系中，这样组成的曲线图叫极化图。 原电池与电解池的比较原电池与电解池的比较 原电池原电池 电解池电解池 阴极阴极(+)负移负移 阳极阳极正移正移 阳极阳极(-)正移正移 阴极阴极负移负移 EV E0 时的该反应 的位能曲线图和双电层电位分布图。 =0设电极还原反应相对容易，此时还原反应活 化能相对小于氧化反应的活化能，即 。其位 能曲线及双电层电位分布如下图所示。 GG 0 ，相当于阳极极化，阳极反应活化能减小，阴 极反应活化能增加。电极以阳极反应为主，电极表面带 负电，其位能曲线及双电层电位分布如下图所示。 2、试根据图6.25回答：曲线1为 （1）判断平衡电位（零标）的符号。 （2）画出平衡电位时的位能曲线。 （3）根据图中曲线2的位置，说明在该电位下，电极发生 了阴极极化还是阳极极化？并用公式表示出电极的极化对 反应速度有什么影响。 0 解：（1）由图中1曲线可以知道=0 时，电极氧化反应的 活化能小于还原反应的活化能，电极上氧化反应速度高于 还原反应速度。如果电极进行阴极极化，使还原反应的速 度增加，当还原反应速度增加到与氧化反应速度相等时， 此时的电位为平衡电位，因此可知平衡电位 0)(零标 平 （2）平衡电位时的位能曲线如下图所示。 （3）由图知曲线2相对于曲线1中的氧化反应的活化能减 少，还原反应的活化能增加，可知电位0 ，即电极进行 了阳极极化。 电极极化对反应速度的影响公式：（阳极极化） )exp()exp( 0 aaa RT nF RT nF jjjj 3、已知锌从 ZnCl2和NaOH 混合溶液中析出的阴极极化曲线 如图6.26所示。已知阴极反应 ， 若向电解液中加入大量 , 离子能强烈吸附在电极表面。试问此 时阴极极化曲线会不会改变？为什么？ 假如加入NaCN 之前，在电流密度 j1处，阴极过程为扩散步骤 和电化学反应步骤混合控制。那么加入 NaCN之后，控制步骤 会改变吗？为什么？ 解：因为 CN-在电极表面的吸附，电极表面的双电层结构会发 生变化，界面电场改变，电子转移步骤的活化能发生改变；另 外 Zn2+能CN-与 生成 络离子，由此影响到还原过程机理。由于 络合离子的脱附、配位体交换等过程使阴极反应速度降低。综 上，电解质 的加入会改变曲线的形状。 加入 之前，在电流密度j1 处，阴极过程为扩散步骤和电化学反 应步骤混合控制。当加入 后，由于阴极过程反应速度的降低， 此时的控制步骤可能变为电子转移步骤。 OHZneOHZn42)( 2 4 一选择题一选择题 二二. 填空填空题题 三三判断题判断题 五五计算题计算题 四四. 简答题简答题 影响离子运动速度的主要因素不包括： （ D ） A离子的半径 B溶液总浓度 C温度 D溶液值 下列关于理想极化电极的说法中错误的是 （ B ） A理想极化电极不发生电极反应 B电极电位恒定不变 C交换电流密度趋近于零 D不可逆电极 3 哪一个不是任何电极过程都必定包括的单元步骤 （ B ） A液相传质过程 B前置转化 C电子转移步骤 D反应后的液相传质步骤 4.在原电池和电解池的电极上所发生的反应，属于氧化反应的是 （ C ） A原电池的正极和电解池的阳极所发生的反应 B原电池的正极 和电解池的阴极所发生的反应 C原电池的负极和电解池的阳极 所发生的反应D原电池的负极和电解池的阴极所发生的反应 5.下列叙述的方法不正确的是 （ B ） A金属的电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍 B用铝质铆钉铆接铁 板，铁板易被腐蚀 C钢铁在干燥