电化学期末考试题.doc

1 应用电化学 第一部分电化学基础 1、什么是三电极体系？试画出三电极体系示意图，通过它如何测得所需参数？ 三电极体系相对与传统的两电极体系而言，包括，工作电极，参比电极和对电极。 参比电极用来定点位零点，电流流经工作电极和对电极。研究对象工作电极,参比电极:确定工作电极电位.辅助电极有时也称对电极:传导电流。三电极体系含两个回路，一个回路由工作电极和参比电极组成，用来测试工作电极的电化学反应过程，另一个回路由工作电极和辅助电极组成，起传输电子形成回路的作用。电化学需要两个电极同时发生氧化还原反应，那么需要两个电极，但是针对您要研究的工作电极，需要参比电极精确地控制工作电极的电极电位，那么就需要额外的参比电极，以三者成为三电极体系。2、 物质的传递形式有哪些？如果溶液中存在大量的惰性电解质，则电极过程中的液相传质步骤主要由哪些形式的传质作用所决定？试分析说明。 答：物质传递的形式有三种，即扩散、电迁移、对流。3、 试说明参比电极应具有的性能和用途。4、为什么说电极过程是一特殊的异相氧化还原反应？ 5、影响电极表面反应能力的因素有哪些？ 电极的本性、氧化型物种和还原型物种的浓度(或分压)及温度。6、名词解释： 电极极化在可逆电池的情况下，整个电池处于电化学平衡状态，两个电极也分别处于平衡状态，电极电位是由能斯特方程决定的，是平衡的电极电位。此时，通过电极的电流为零，即电极反应的速率为零。若要使一个不为零的电流通过电极，电极电位必须偏离平衡电极电位的值，这个现象就称为电极的极化 电极极化 electrode polarization； 电子导体与围岩中溶液接触时，会形成电偶层，产生电位跳跃，这个电位跳跃便称为电子导体与溶液接触时的电极电位。当有外电场作用时，相对平衡的电极电位数值将发生变化。通常把在定电流密度作用下的电极电位与相对平衡的电极电位的差值，称为电极极化。常见的有电化学极化、浓差极化等。由电极极化作用引起的电动势叫做超电压。 零电荷电势又称零电荷电位,纸电极表面不带有剩余电荷是的电位,此时电极/溶液界面上不会出现由剩余电荷引起的离子双电层,一般认为,就是不存在紧密层和分散层. 恒电位法恒电位法是控制被测电极的电位，测定相应不同电位下的电流密度，把测得的一系列不同电位下的电流密度与电位值在平面坐标系中描点并连接成曲线，即得恒电位极化曲线。 理想极化电极ideal polarizable electrode有些电极如铂、金、汞等，在一定的电势范围内不能发生有电子得失的电极反应，外加电势不能驱使电荷在电极界面迁越，只改变界面双电层的结构。它类似于不漏电的电容器，电极本身无确定的电势而是随外加电势而变化，即电极极化十分容易，故称理想可极化电极。1它是研究电极界面双电层结构和吸附现象的重要媒介。 速度控制步骤又称为，简称，也译作（英文:），是一个化学词汇，用以表达在化学反应中，反应速率最慢的一个步骤。认识一个化学反应当中最慢的一个步骤的重要性在于能够有效率地改善整个化学反应的速度，从而达致更高的产率等。一个常用的比喻就是一条狭窄的水管无论水流有多快，也无法改变水的流量。速率控制步骤就是影响整个化学反应速率的那条水管。 第二部分化学电源 7、试分析锌-锰电池中二氧化锰的电极过程，并说明二氧化锰电极的可逆性。以下是碱性锌锰干电池的反应。正极为阴极反应： MnO2+H2O+eMnO(OH)+OH MnO(OH)在碱性溶液中有一定的溶解度 MnO(OH)+H2O+OHMn(OH)4 Mn(OH)4+eMn(OH)42 负极为阳极反应： Zn+2OHZn(OH)2+2e Zn(OH)2+2OHZn(OH)42 总的电池反应为： Zn+MnO2+2H2O+4OHMn(OH)42+Zn(OH)42 酸性锌锰干电池反应: 正极为阴极，锰由四价还原为三价 2MnO2+2H2O+2e2MnO(OH)+2OH 负极为阳极，锌氧化为二价锌离子： Zn+2NH4ClZn(NH3)2Cl2+2H+2e 总的电池反应为： 2MnO2+Zn+2NH4Cl2MnO(OH)+Zn(NH3)2Cl2 8、写出镉-镍电池的表达式，并计算其理论质量比能量。镉镍电池的电池表达式为：(-)CdKOH(NaOH)NiOOH(+)电池反应为：放电时：Cd+NiOOH+H2ONi(OH)2+Cd(OH)2充电时：Ni(OH)2+Cd(OH)2Cd+NiOOH+H2O 9、写出碱性锌锰电池的表达式，并计算其理论质量比能量。 以锌为负极，二氧化锰为正极，氢氧化钾溶液为电解液的原电池 碱性锌锰电池的电化学表达式为：()ZnKOH(饱和 ZnO)MnO2()负极反应： Zn+2OH-=ZnO+H2O+2e正极反应： 2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH电池反应： Zn+2MnO2+H2O=ZnO+2MnOOH10、金属氢化物-镍电池的优点是什么？ 其具有高能量密度、大功率、无污染等综合特性, 与用途最广泛的镉镍电池相比,金属氢化物镍电池具有比能量高、无记忆效应、不污染环境、耐过充过放电等优良性能,故被誉为绿色电池。 11、什么是镉-镍电池的镉氧循环？ 12、写出铅酸电池的表示式，并计算其理论质量比能量。 铅酸电池（VRLA），是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池荷电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅铅酸电池的化学反应原理如下 负极反应：Pb+HSO4- PbSO4+H+2e 正极反应：PbO2+2e+HSO4-+3H+ PbSO4+2H2O 电极反应：PbO 2 +2 H+ +2HSO 4- +Pb 2Pb 2 SO 4 +2 H 2 O 13、密封镉-镍电池的工作原理是什么？应采取什么措施？ 14、 什么是电池的记忆效应？什么是电池失效？标准答案：电池长时间经受特定的工作循环后，自动保持这一特定的电性能倾向，成为记忆效应。如果电池属镍镉电池，长期不彻底充电、放电，易在电池内留下痕迹，降低电池容量，这种现象称为电池记忆效应。意思是说，电池好像记忆了用户日常的充、放电幅度和模式，日久就很难改变这种模式，不能再做大幅度充电或放电。电池记忆效应是针对镍镉电池而言的，由于传统工艺中负极为烧结式，镉晶粒较粗，如果镍镉电池在它们被完全放电之前就重新充电，镉晶粒容易聚集成块而使电池放电时形成次级放电平台，电池会储存这一放电平台并在下次循环中将其作为放电的终点，尽管电池本身的容量可以使电池放电到更低的平台上，在以后的放电过程中电池将只记得这一低容量，同样在每一次使用中，任何一次不完全的放电都将加深这一效应，使电池的容量变得更低。15、金属氢化物-镍电池中吸氢电极用贮氢材料应具备什么条件？ 16、 影响电池容量的因素有那些？电池的实际容量,取决于电池中活性物质的多少和活性物质的利用率.活性物质是量越多,活性物质利用率就越高,电池的容量也就越大.反之容量越小,影响电池容量的因素很多,常见的有以下几种:(1) 放电率对电池容量的影响(2) 温度对电池容量的影响(3)终止电压对电池容量的影响(4)极板的几何尺寸对电池容量的影响极板厚度对容量的影响极板高度对容量的影响极板面积对容量的影响。 17、什么是放电制度？ 放电制度：是指电池放电时的电流I放、温度T、终止电压V终等参数构成的放电条件。18、影响电池自放电的因素有哪些？应采取什么措施？ 19、粉末多孔电极的优点是什么？采用多孔电极的主要目的是什么？1，粉末多孔电极的优点：于粉末电极的多孔性，可大大增加电极的比表面，减小电极通过的真实电流密度，降低电化学极化可利用扩散层厚度很小的孔的内表面，进行物质传递，大大增加极限扩散电流密度，降低浓差极化由于活性物质在微孔中反应，在充放电过程中可更好地保存，不致脱落或生成枝晶，引起短路通过改变粉末材料的配比，粒度等性质，可以较方便地改变电极材料的特性；通过改变加工工艺，可以较方便地改变电极结构采用粉末材料，可以得到成分更为稳定和均匀的电极活性物质 20、名词解释： 开路电压工作电压终止电压终止电压：是指电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压（通电时测得）。容量和能量（理论、实际、额定）理论容量：假设活性物质被100%利用时的容量。理论容量是把活性物质的质量按法拉策规律核算而得到的最高理论值。额定能量：21、写出铅酸电池的表示式及电极反应，并计算其理论质量比容量和理论质量比能量。已知铅酸电池的电动势为2.044V。有关物质的摩尔质量为：Pb 207.2 gmol-1；PbO2239.2 gmol-1；H2SO4 98 gmol-1。（1）电池表达式为： (一) PbH2SO4PbO2 (+)（2）电极反应：负极反应：Pb+HSO4- PbSO4+H+ +2e正极反应：PbO2+HSO4 - +3H+ +2e P bSO4+2H2O电池反应：Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O 第三部分金属电沉积 22、 什么是阴极性镀层？什么是阳极性镀层？作为镀层它们是如何对基体金属起防护作用的？1 阳极性镀层：镀层金属的活泼性比基体金属的大。在使用条件下，镀层遇有腐蚀介质时，镀层先腐蚀而基体不受腐蚀，具有牺牲镀层保护基体的特点，这种镀层就是阳极性镀层。典型的如钢铁上的镀锌。二阴极性镀层：金属基体的活泼性比金属镀层的大。在使用条件下，只有镀层完整的将基体包覆起来，才能起到保护基体的作用。如果镀层不完整或有孔隙、破损，当发生腐蚀的时候，基体会受到腐蚀而破坏，镀层反而不发生腐蚀，并且因此而使基体腐蚀速度更快，这种镀层就是阴极性镀层。比如钢铁上的镀铜、镀镍等。 阳极镀层的保护原理是基于镀层的电位较基体金属为负，它的电溶压较大，就成为腐蚀电池中的阳极，从而延迟了基体金属的腐蚀。即使在基体金属有稍许暴露时，镀层仍能起防护作用，所以，阳极镀层上孔隙的多少，对防护性能的影响很小，就厚度而言，镀层的厚度愈大，防护性愈强。阴极性镀层对基体金属只起纯机械的隔离作用，没有象阳极镀层的电化保护作用，所以一定要在镀层孔隙率很少的情况下才有保护作用，否则，在镀层的孔隙或破损处，基体金属将作为腐蚀电池的阳极，加速了基体金属的腐蚀。一般镀层的孔隙率随着镀层厚度的增加而减少，故厚度越大，阴极镀层的保护性能也越强。 23、 什么是镀液的分散能力？如何测量？ 镀液的分散能力是指一定电解条件下使沉积金属在阴极零件表面上分布均匀的能力。也叫均度能力沉积金属的均匀分布与阴极过电位、溶液电导率、阴极电流密度、电流效率有关。分散能力高的镀液可以使电沉积镀层均匀分布在零件的所有部位，即镀层厚度均匀。 电镀液的分散能力具有比较性质，其比较的基准是初次电流分布。所谓初次电流分布（一次电流分布）是仅考虑阴极不同表面至阳极几何距离不同时的阴极电流分布情况。因此，分散能力由实际电流分布和初次电流分布的相对偏差表示。镀层在零件上的均匀分布的能力越高，该电镀溶液的分散能力就越好。镀液分散能力的优劣可以用数值来衡量,其数学表达式、测定方法及数据处理的方法都是人为确定的。所得结果均为相对值,也就是说,不同装置和不同测量方法所得数据不能进行比较。常用的测定方法有以下三种 1 。1 远近阴极法。2. 弯曲阴极法 3. 霍尔槽法24、 什么是阴极除油和阳极除油？各有什么优缺点? 答：阴极除油阴极除油的特点是在制件上析出氢气，即2H2O+2e=H2十+20H一除油时析氢量多，分散性好，气泡尺寸小，乳化作用强烈，除油效果好，速度快，不腐蚀零件。但析出的氢气会渗入金属内部引起氢脆，故不宜用于高强度钢、弹簧钢等脆性较敏感的金属零件。此外，当电解溶液中含有少量锌、锡、铅等金属粒子时，零件表面将会有一层海绵状金属析出，污染金属零件，并影响镀层的结合力。为此，采取单一的阴极电化学除油是不适宜的。阳极除油阳极除油的特点是在制件上析出氧气，即40H一=02十+2H20+4e除油时，一方面氧析出泡少而大，与阴极电化学除油相比，其乳化能力较差，因此其除油效率较低；另一方面由于氢氧根离子放电，使阳极表面溶液的pH值降低，不利于除油。同时阳极除油时析出的氧气促使金属表面氧化，甚至使某些油脂也发生氧化，以致难于除去。此外，有些金属或多或少地发生阳极溶解。所以，有色金属及其合金和经抛光过的零件，不宜采用阳极除油。但阳极电化学除油没有“氢脆”，镀件上也无海绵状物质析出。阳极除油的优点是：工件挂在阳极，电解时阳极放出的是氧气，因此工件没有产生氢脆的危险。同时，阳极除油还能除去工件上的残渣和某些金属杂质薄膜。缺点是除油速度比阴极除油低，一般有色金属不宜采用此法。此外，除油液中含有较多的氯离子时，钢铁件可能产生腐蚀现象。阴极除油的优点是:除油速度快，并且一般不会腐蚀工件。缺点是工件易因渗氢而产生氢脆。渗氢严重时，镀层可能要起泡蜕皮。溶液中含有铅、锡、锌等有色金属杂质时，零件上会产生成海绵状金属物质而影响镀层质量。25、写出高碳钢的镀前工艺流程，并说明各工序的目的？为什么不采用阴极除油和阴极电解活化？ 26、 超声波清洗的原理是什么？高频振荡信号,通过超声波换能器转成高频机械振荡(超声波)而传播到介质(清洗液)中,超声波在清洗液中的辐射,使液体震动而产生数以万计的微小气泡,这些气泡在超声波纵向传播形成的负压区产生,生长,而在正压区迅速闭合,在这种被称为空化效应的过程中,微小气泡闭合时可产生超过1000个大气压的瞬间高压.连续不断产生的瞬间高压,就像一连串小爆炸一样不断冲击物件表面,是物体表面及缝隙中的污垢迅速剥落,从而达到清洗物体的目的.27、弱浸蚀作为镀前处理的最后一道工序，其目的和作用是什么？ 28、电沉积合金的条件有哪些？应采取什么措施？ 29、什么是化学镀？与电镀相比化学镀有什么优点？可以使用的还原剂有哪些？化学镀是一种不需要通电，依据氧化还原反应原理，利用强还原剂在含有金属离子的溶液中，将金属离子还原成金属而沉积在各种材料表面形成致密镀层的方法。化学镀使用范围很广，镀金层均匀、装饰性好。在防护性能方面，能提高产品的耐蚀性和使用寿命；在功能性方面，能提高加工件的耐磨导电性、润滑性能等特殊功能，因而成为全世界表面处理技术的一个发展。 化学镀技术是在金属的催化作用下，通过可控制的氧化还原反应产生金属的沉积过程。与电镀相比，化学镀技术具有镀层均匀、针孔小、不需直流电源设备 、能在非导体上沉积和具有某些特殊性能等特点。另外，由于化学镀技术废液排放少，对环境污染小以及成本较低，在许多领域已逐步取代电镀，成为一种环保型的表面处理工艺。化学镀镍的反应过程是一个自催化的氧化还原过程，镀液中可应用的还原剂有次亚磷酸钠、硼氢化钠、烷基胺硼烷及肼等。在这些还原剂中以次亚磷酸钠用的最多，这是因为其价格便宜，且镀液容易控制，镀层抗腐蚀性能好等优点。 30、什么是复合镀层？复合电镀的基本条件是什么？通过金属电沉积的方法,将一种或数种不溶性的固体颗粒,均匀的夹杂到固体颗粒中.所形成的特殊镀层就是复合镀层,这种制备复合镀层的方法,称之为复合电镀,又称分散电镀。分散电镀是用电镀方法是固体颗粒与金属共沉积从而在基体上获得基质金属（或称为主体金属）上弥散分布颗粒结构的复合镀层。即将固体不溶性固体微粒均匀分散在电镀液中，制成悬浮液进行电镀。根据不同微粒的特性如SiC具有高硬度耐高温特性，MoS2具有润滑性和自修复特性，使其与电镀基质金属共沉积，从而获得具有耐磨、自润滑、耐蚀、装饰、电接触等功能镀层。上述固体微粒指各种难熔的氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等。电镀基质金属有镍、铜、铬和一些合金。 基本条件:见笔记镀层基本条件 31、在塑料电镀中粗化、敏化、活化的目的是什么？与金属制件相比，塑料电镀制品不仅可以实现很好的金属质感，而且能减轻制品重量，在有效改善塑料外观及装饰性的同时，也改善了其在电、热及耐蚀等方面的性能，提高了其表面机械强度。但电镀用塑料材料的选择却要综合考虑材料的加工性能、机械性能、材料成本、电镀成本、电镀的难易程度以及尺寸精度等因素塑料电镀的目的是将塑料表面披覆上金属，不但增加美观，且补偿塑料的缺点，赋予金属的性质，充分发挥塑料及金属的特性于一体.(1)清洁(cleaning)：去除塑料成型过程中留下的污物及指纹，可用碱剂洗净再用酸浸中和及水洗干净。(2)溶剂处理(solvent treatment)：使塑料表面能湿润(wetting)以便与下一步骤的调节剂(conditioner)作用。(3)调节处理(conditioning)：将塑料表面粗化成内锁的凹洞以使镀层密着住不易剥离，也称为化学粗化。(4)敏感化(sensitization)：将还原剂吸附在表面，常用(stannous chloride)或其它锡化合物，就是sn+离子吸附于塑料表面具有还原性表面。(5)成核(nucleation)：将具有催化性物质如金、吸附于敏感化(还原性)的表面，经还原作用结核成具有催化性的金属种子(seed)然后可以用无电镀上金属。反应如下：sn+ + pd+ = sn4+ + pdsn+ +2ag+ = sn4+ +2ag 32、什么是化学转化膜？什么是铝的阳极氧化？其膜层具有哪些性质？化学转化膜又称金属转化膜。它是金属（包括镀层金属）表层原子与介质中的阴离子相互反应，在金属表面生成附着力良好的隔离层，这层化合物隔离层称为化学转化膜。转化膜的形成既可以是金属介质之间的纯化学反应，也可以是电化学反应。以铝或铝合金制品为阳极，置于电解质溶液中进行通电处理， 利用电解作用使其表面形成氧化铝薄膜的过程, 称为铝及铝合金的阳极氧化处理经过阳极氧化处理，铝表面能生成几个微米几百个微米的氧化膜。比起铝合金的天然氧化膜，其耐蚀性、耐磨性和装饰性都有明显的改善和提高,阳极氧化膜由两层组成, 外层称为多孔层，较厚、疏松多孔、电阻低。 内层称为阻挡层(亦称活性层)，较薄、致密、电阻高。氧化膜的绝大部分优良特性,如抗蚀、耐磨、吸附、绝缘等性能都是由多孔外层的厚度及孔隙率所决定的,然而这两者却与阳极氧化条件密切相关, 因此可通过改变阳极化条件来获得满足不同使用要求的膜层。膜厚是阳极氧化制品一个很主要的性能指针, 其值的大小直接影响着膜层耐蚀、耐磨、绝缘及化学着色能力。阳极氧化膜具有较高的硬度和耐磨性、极强的附着能力、较强的吸附能力、良好的抗蚀性和电绝缘性及高的热绝缘性。由于这些特异的性能, 使之在各方面都获得了广泛的应用。33、氧化膜封闭的目的是什么？可采用什么方法？由于表面氧化膜具有较高的孔隙率和吸附性能，它很容易受到污染，所以阳极氧化后，应对膜层进行封闭处理，以提高膜层的耐蚀性，耐磨性以及绝缘性。常用的封闭方法有： 沸水和蒸气封闭法：其原理是：在较高温度下无水氧化铝的水化作用：Al2O3 + nH2O - Al2O3nH2O 当密度为3.42的-AL2O3水化为一水化合物时，氧化物体积增加33%，而当它水化为三水化合物时，则氧化物体积增加310%，因此，当将氧化好的零件置于热水中时，阻挡层和多孔层内壁的氧化膜层首先被水化，经过一段时间后，孔底逐渐被水化膜所封闭，当整个孔穴被全部封闭时，孔隙的水就停止循环，膜层的表面层继续进行水化作用，直到整个孔隙的口部被水化膜堵塞为止。如采用蒸气，则可更有效地封闭所有孔隙，但蒸气法所用设备及成本都较沸水法高，除非特殊要求，应尽可能使用沸水法。重铬酸盐封闭法：此法适宜于封闭硫酸溶液中阳极氧化的膜层及化学氧化的膜层。用本法处理后的氧化膜显黄色，它的抗蚀性高，但不适用于装饰性使用。通常使用的封闭溶液是510%的重铬酸盐水溶液，操作温度为9095，封闭时间为30分钟，溶液中不得有氯化物或硫酸盐。水解盐封闭法：原理：锆盐、镍盐的极稀溶液被氧化膜吸附后，即发生如下的水解反应：Ni2+2H2O - Ni(OH)2 +2H+ Co2+2H2O - Co(OH)2 +2H+ 生成的氢氧化镍或氢氧化钴沉积在氧化膜的微孔中，而将孔封闭。因为少量的氢氧化镍或氢氧化钴几乎是无色的，所以它特别适用于已染色的氧化膜的封闭，不会影响制品的色泽，而且还会和有机染料形成络合物，从而增加颜色的耐晒性。填充封闭法：除上面所述的封闭方法外，阳极氧化膜还可以采用有机物质，如透明清漆、熔融石蜡、各种树脂