冶金电化学部分作业题的答案.pdf

为什么不能测出电极的绝对电位 我们通常所用的电极电位是如何测试的 为什么不能测出电极的绝对电位 我们通常所用的电极电位是如何测试的 答 以锌电极为例 为了测量锌与溶液的内电位 就需把锌电极接入一个测量回 路中 这样将会产生一个新的电极体系 在电位差计上得到的测量值 E 将包括三 项内电位差 即 E Zn Cu S Zn Cu Zn Zn S S Cu Cu Zn 这样本欲测量电极电位 Zn S 的绝对值 但测量出来的结果却是 三个相间电位的代数和 其中每项都因同样原因无法直接测量出来 我们通常 是以标准氢电极 待测电极为阳极 由于没标准氢电极的电极电位为 0 同时采 用盐桥消除液接电势等 由测出的电动势得出待测电极的电极电位 即对消法 说明平衡电位与稳定电位的区别 说明平衡电位与稳定电位的区别 答 平衡电位又称为可逆电极电位 它是在电极处于可逆状态相对于一定的电极 反应而测出的电极电位 稳定的不可逆电极电位叫做稳定电位 即稳定电位是相 对于不可逆电极的 建立稳定电位的条件是在两相界面上电荷转移必须平衡 而 物质的转移并不平衡 如何判断可逆电极和不可逆电极 如何判断可逆电极和不可逆电极 答 可逆电极就是在平衡条件下进行的 电荷交换与物质交换都处于平衡的电极 不可逆电极是实际的不可逆的电极过程中 构成电极体系的电极不能满足可逆电 极条件的电极 如何判断给定电极是可逆还是不可逆 首先可根据电极的组成 做出初步判断 分析物质 电荷的平衡性 为了进行准确的判断 还应该进一步 实验证实 即若实验测定的电极电位与活度的关系曲线符合 Nernst 方程式计算 出的理论曲线 即为可逆电极 若测量值与理论计算值偏差很大 超出实验误差 范围 就是不可逆电极 影响电极电位的因素有哪些 影响电极电位的因素有哪些 答 1 电极的本性 组成电极的物质不同 得失电子能力不同 因而形成的电 极电位不同 2 电极的表面状态 3 金属的机械变形和内应力 影响不大 4 溶液的 PH 值对电极电位由明显影响 5 溶液中的氧化剂 6 溶液中的络合剂 影响金属离子存在的形态而影响电极电位 7 溶剂 电极在不同溶剂中的电极电位的数值不同 原电池电动势有哪几部分组成 原电池电动势有哪几部分组成 这道题相当扯淡 答 在电池中没有电流通过时 原电池两个终端相之间的电势差叫做该电池的 电动势 通常用原电池电动势这一参数来衡量一个原电池做电功的能力 阴阳两 电极的电极电位 界接电势 电极与导线之间的电势差 第二章 电极 溶液界面的结构与性质 1 什么是理想极化电极 为什么要用理想极化电极研究电极 溶液界面 第二章 电极 溶液界面的结构与性质 1 什么是理想极化电极 为什么要用理想极化电极研究电极 溶液界面 答 电极 溶液界面上 全部流向界面的电荷均用于改变界面构造而不发生电化 学反应 这时为了形成一定的界面结构只需耗用有限的电量 即只会在外电路中 引起瞬间电流 与电容器的充电过程相似 在这种界面上 外界输入的电量全部 被用来改变界面构造 将电极极化到不同的电位 这种电极称为理想极化电极 理 想极化电极是不可逆电极 研究界面结构一般采用界面行为较简单的电极作为 研究对象 而在理想化电极中当外电路输入的电量全部用于储存在电极的双电层 中 而不会引起电极反应时 电极电位迅速变化 阻止外电路电荷的进一步流入 外电路中的电流只能维持很短的时间 即电极上只有瞬间充电电流 很快电流为 零 即电极体系的等效电路相当于一个电容 所以它特别适合用于界面研究 太 笼统 不好归纳 2 电极电位变化为什么能导致界面张力发生变化 2 电极电位变化为什么能导致界面张力发生变化 答 界面张力的变化与界面上吸附的粒子性质和吸附量有关 而电极表面剩余电 荷密度是随电极的电极电位而变化的 所以会影响界面张力 3 什么是电毛细现象 为什么电毛细曲线是具有极大值的抛物线形状 重 要概念之 电毛细现象 3 什么是电毛细现象 为什么电毛细曲线是具有极大值的抛物线形状 重 要概念之 电毛细现象 答 电毛细现象是电极 溶液界面张力 随电极电位变化的现象 解释它为什 么是抛物线 这也非常扯淡 由 Lippman 公式知当 q 0 时 界面上没有因同性电 荷相斥所引起的使界面扩张的作用力 因而界面张力达到最大值 此时对应的电 极电位为零 称为零点荷电位 4 什么是零电荷电位 为什么说它不是电极绝对电位的零点 重要概念之 零 电位 4 什么是零电荷电位 为什么说它不是电极绝对电位的零点 重要概念之 零 电位 答 当界面张力达到最大值 对应的电极电位即为零电位 或 标准解释 一个电极表面没有任何过剩的自由电荷时的电势称为零电荷电位 零电荷电位 仅仅表示电极表面剩余电荷为零时的电极电位 而不表示电极 溶液相间电位或 绝对电极电位的零点 5 为什么在微分电容曲线中 当电极电位绝对值较大时 会出现 平台 5 为什么在微分电容曲线中 当电极电位绝对值较大时 会出现 平台 答 在零点荷电位附近的电极电位范围 微分电容随着电极电位的变化比较明 显 而剩余电荷密度增大时 电容之爱也趋于稳定值 进而出现电容值不随电极 电位变化的平台区 朱版 解释 在零电荷电位附近 电容受电极电位影响较 大 说明电极表面剩余电荷较少 界面层结构不稳定 随着剩余电荷密度增大 界面层结构变稳定 电极电位不再影响电容 曲线出现平台 6 什么是特性吸附 哪些类型的物质具有特性吸附的能力 6 什么是特性吸附 哪些类型的物质具有特性吸附的能力 答 溶液中的离子因非静电作用而发生的吸附称为特性吸附 凡是能在电极 溶液表面发生特性吸附而使界面张力下降的物质 叫做表面活性物质 如 水化 能较小的离子如 Tl 多元醇 苯胺及其衍生物等 8 简述三种双电层结构模型的优缺点 8 简述三种双电层结构模型的优缺点 答 Helmholtz Model 电极 溶液界面两侧剩余电荷都紧密排列在界面两侧 形成类似于荷电平板电容器的紧密双电层结构 双电层厚度 XH 离子半径 该 模型适用于浓溶液中 特别是电位差较大时用该模型计算出的电容值能较好的符 合实验结果 缺点是 只考虑静电作用没有考虑电解质浓度的影响 忽略了第 一层外物质 吸附物质 和电极之间的相互作用 稀溶液计算结果与实验偏差较大 Gouy Chapman Model 优点 1 较好地解释微分电容最小值的出现 2 解 释电容随电极电位的变化 缺点 把离子作为点电荷 没有体积 可无限制靠 近电极 即忽略紧密层 导致 Cd 无限大 无法解释浓溶液和偏离零电荷电位时 的情况 尤其是解释不了微分电容曲线 平台区 的出现 还无法解释离子的 特殊吸附性 Stern Model 优点 1 较好地反映界面结构真实情况 对分散层讨论较深入 2 对 Cd 做出较完美解释 且与实测值接近 3 模型包含 Helmholtz 紧密 层 可同样解释 曲线 缺点 目前的模型不能解释 零电荷电位处 电容 不为 0 第四章 金属的提取与精炼 第四章 金属的提取与精炼 1 什么电解池 它与电池在原理上的主要区别是什么 1 什么电解池 它与电池在原理上的主要区别是什么 答 由外电源提供电能 使电流通过电极 在电极上发生电极反应装置称 为电解池 电解池由与电源相连的阴阳极 电解质溶液组成 载流子为电子和离 子 它能将电能转化为化学能 电池是将化学能转化为电能 电池内电极上的反 应是自发反应 2 说明电解过程中惰性电极与活性电极的区别 2 说明电解过程中惰性电极与活性电极的区别 答 惰性电极只导电 不参与电极反应 活性电极既导电又参与电极反应 3 试分别举一例说明电解提取金属和精炼过程中的阳极反应和阴极反应 3 试分别举一例说明电解提取金属和精炼过程中的阳极反应和阴极反应 答 1 电解提取金属 高温下电解熔融 NaCl 制备 Na 阳极反应 2Cl 2 Cl2 阴极反应 Na Na 2 电解精炼 电解精炼 Cu 阳极 Cu 2 Cu 阴极 Cu2 2 Cu 4 试说明金属电沉积的基本过程 并指出什么是结晶过电位 4 试说明金属电沉积的基本过程 并指出什么是结晶过电位 答 电沉积的基本过程 1 液相传质 溶液中的反应粒子向电极表面迁移 2 前置转化 迁移到电极表面附近的反应粒子发生化学转化反应 3 电荷传递 反应粒子得电子 还原为吸附态金属原子 4 电结晶 新生的吸附态金属原子沿电极表面扩散到适当位置 生长点 进入金属晶格生长 或与其他新生原子集聚而形成晶核并长大 从而形成晶体 结晶过电位就相当于盐结晶时的过饱和度 其实质是使电极体系能量升高 即由 外电源提供生长晶核和晶核长大所需要的能量 5 影响电沉积结晶的主要因素有哪些 结晶过电位与晶核形成长大和晶核 粒度关系如何 5 影响电沉积结晶的主要因素有哪些 结晶过电位与晶核形成长大和晶核 粒度关系如何 答 1 金属本性及离子价态 会影响沉积物的结构和粒度 2 电解液的组成 阴离子对过电位有影响 从而影响结晶粒度 惰性阳离 子可增加金属析出的过电位 络合物的加入常使金属离子析出电位明显负移 有 机添加剂会影响过电位 3 金属离子浓度和电流密度 晶核数目 N a blogi c 随电流密度增大 和离子浓度的减少 使晶核数目增大 可获较细的结晶 4 温度和搅拌 温度上升 结晶变得粗大 搅拌使电解液流动 减少浓 差极化 可在较高电流密度下 细化结晶 5 晶体缺陷的影响 如果晶核在一平面上形成 并沿着这一平面成长 就是二维晶核的形成与成长 实际晶体大多为螺旋错位生长 过电位大 晶核 形成速度快 结晶细小 过电位小 晶核形成速度慢 结晶粗大 6 如何按照公式 E E0 RT nFlnC k 来近似确定离子放电电位 6 如何按照公式 E E0 RT nFlnC k 来近似确定离子放电电位 答 E0 表示标准电极电位 是在标准条件下得到的电极电位 不同离子被 还原时的 E0 不同 因此放电顺序不同 RT nFlnCRT nFlnC 是由于离子浓度 活度 影响 的电极电位的变化 同种离子在不同活度下的电极电位是不同的 k 表示结 晶过电位 受电流密度 电极材料等因素的影响产生较大的变化 因而影响了电 极电位 7 说明阴极过程中氢析出及其过电位的影响 指出如何调控氢析出过电位 7 说明阴极过程中氢析出及其过电位的影响 指出如何调控氢析出过电位 答 氢离子放电会降低电流效率 改变沉积物的结晶形式 因此需要抑制氢离子 放电 由于氢析出的过电位比金属析出的过电位大 因此 对 E 0 的金属 只 要其离子浓度不太低 则总是在阴极上沉积 对 E 0 的金属 只要 E 不太负 选择适当的电解条件 也能从水溶液中电沉积出来 对于调控氢析出过电位 可增加电流密度 更换合适的电极材料 比如氢在铂电极上的过电位小于 0 1V 而在锡电极上则大于 1V 8 如何理解熔盐电极电位的异同及电位序 如何以此指导选择电解质体系 8 如何理解熔盐电极电位的异同及电位序 如何以此指导选择电解质体系 答 由于熔盐体系各异 没有像水溶液那样有共同的溶剂 因此金属在不同熔盐 体系的电极的电极电位不尽相同 高温体系难以找到稳定的参比电极 而 Pt Cl2 g Cl 电极相对比较稳定 因此把 Cl Cl2 电极的电位规定为零 即可求 得各温度下金属的电极电位数值 得到新的电位序 适用于熔盐体系 由电位 序可看出 一般选碱金属和碱土金属的盐 因为它们不会首先析出 氯化物主要 用在金属氯化物或氧化物为原料的电解 氟化物主要用于金属氧化物为原料的电 解 9 如何理解熔盐中固态氧化物阴极电脱氧过程 9 如何理解熔盐中固态氧化物阴极电脱氧过程 答 该方法为直接采用固体氧化物阴极 氧化物得电子脱氧被还原成金属 脱出的 O2 通过传质流向阳极 在阳极发生电极反应 即 阴极 MOx 2xe M xO2 电解质具有溶解 O2 的能力 能将 O2 传递到阳极 第五章 熔盐电化学 1 简述熔盐与水溶液的区别 并用电化学原理解释 为什么有的金属需要在熔盐中电解制取而不能采用水溶液 第五章 熔盐电化学 1 简述熔盐与水溶液的区别 并用电化学原理解释 为什么有的金属需要在熔盐中电解制取而不能采用水溶液 答 在存在条件和形态上 电解质水溶液是常温下稳定的液体 而熔盐则往 往高于 100 甚至 1000 以上 从导电性上看 熔盐的电导率一般是水溶液 的 108 倍 即熔盐单位体积中的离子数目要比水溶液多 从原则上讲 只要电 极电位足够负 任何金属离子都有可能在电极上还原 但是 在水溶液中 即使 在高氢过电位金属表面上 当电位达到 1 8 2 0V 也会发生氢的猛烈析出 因 此 那些析出电位比氢更负的金属离子几乎都要在熔盐中才能实现电解 2 简述熔盐电解法制取金属时对电解质的要求 并列举出几种常见的二 元或三元熔盐体系及其在工业上的应用 2 简述熔盐电解法制取金属时对电解质的要求 并列举出几种常见的二 元或三元熔盐体系及其在工业上的应用 答 对电解质的要求 熔点较低 密度适宜 粘度较小 电导高 表面张 力较大 挥发性低 对金属的溶解度能力较小 二元体系 二元共晶型 有化 合物形成的二元系 液 固态完全互熔的二元系 液态完全互溶 固态部分互溶 的二元系 具有二元共晶的体系 碱金属的卤素化合物 如 KCl AgCl 等 碱金 属卤素化合物与碱金属的硫酸盐 如 NaCl BaSO4 等 有化合物形成的二元系 碱金属卤化物与二价金属卤化物体系 如 KCl CaCl2 等 液 固完全互溶体 系 如 AgCl NaCl 3 用电化学原理解释铝精炼原理 并写出阴阳极电极反应 3 用电化学原理解释铝精炼原理 并写出阴阳极电极反应 答 原理 阳极合金中 Al 失去电子 进行电化学溶解 变成 Al3 进入电解 质 Al3 又在阴极上得到电子变成金属 Al 在阳极 比 Al 更正电性的杂