物理化学中国药科大学电化学510节PPT课件

1、一、化学反应与电池一、化学反应与电池化学反应：化学反应：Zn+CuSO4(aq)ZnSO4(aq)+Cu- +CuSO4ZnSO4第1页/共52页EV（放电）（放电）:Zn极：极：Zn-2e-Zn+Cu极：极：Cu2+2e-CuZn+Cu2+ Zn2+CuEV:Zn极：极：Zn-2e-Zn+Cu极：极：Cu2+2e-CuZn+Cu2+ Zn2+CuEV:Zn极：极：2H+2e-H2Cu极：极：Cu-2e-Cu2+Cu+2H+Cu2+H2第4页/共52页 书写上表示一个电池的组成和结构，通用的惯例有以下几点：1. 1. 左边为负极，起氧化作用； 右边为正极，起还原作用。2.“|”2.“|”表示相

2、界面，有电势差存在。3.“|”3.“|”表示盐桥，使液接电势降到可以忽略不计。“”表示半透膜。4. 4. 要注明温度，不注明就是298.15 K298.15 K；要注明物态， 气体要注明压力；溶液要注明浓度。5. 5. 气体电极和氧化还原电极要写出导电的惰性电极， 通常是铂电极。三、电池表示法三、电池表示法第5页/共52页DrGm=-zEF自 发 电 池 ：DrGm0非自发电池：DrGm0，E0例如：Zn(s)|Zn2+|Cu2+|Cu(s) Zn(s)+Cu2+Zn2+Cu(s) DrGm0Cu(s)|Cu2+|Zn2+|Zn(s) Zn2+Cu(s)Zn(s)+Cu2+ DrGm0，E0第

3、6页/共52页 写出一个电池表示式所对应的化学反应，只需分别写出左侧电极发生的氧化反应，右侧电极发生的还原反应，然后将两者相加即成。 将一个化学反应设计成电池，有时并不那么直观，一般来说抓住三个环节： 1. 确定电解质溶液。这对有离子参加的反应比较直观，对反应中没有离子出现的反应，需依据参加反应的物质找出相应的离子。 第7页/共52页 2. 确定电极。就目前而言，电极的选择范围就是前面所述的三类电极，因此要熟悉这三类电极的组成及其对应的电极反应。 3. 复核反应。在设计电池的过程中，首先确定的是电解质溶液还是电极，要视具体的情况而定，以方便为原则。一旦电解质溶液和电极都确定，即可组成电极。但电

4、池组成后，必须写出该电池所对应的反应，并与给定反应相对照，两者相一致则表明该电池设计成功，若不一致则需重新设计。第8页/共52页化学反应：Zn(s)+H2SO4(aq)H2(p)+ZnSO4(aq)电池表达式：Zn(s)|ZnSO4|H2SO4|H2(p),Pt验证：(-) Zn(s) Zn2+2e-(+) 2H+2e-H2(p)净反应：Zn(s)+2H+Zn2+H2(p)第9页/共52页化学反应：AgCl(s)Ag+Cl-电池表达式：Ag(s)|Ag+(aq)|HCl(aq)|AgCl(s)|Ag(s)验证：(-) Ag(s) Ag+e-(+) AgCl(s)+e-Ag(s)+Cl-净反应：

5、AgCl(s)Ag+Cl-第10页/共52页第六节电池电动势产生的机理第六节电池电动势产生的机理 1. 电极电极-溶液界面电势差溶液界面电势差 以金属电极为例，金属晶格中含有金属离子和能自由移动的电子。将一以金属电极为例，金属晶格中含有金属离子和能自由移动的电子。将一金属电极浸入含有该种金属离子的溶液时，如果金属离子在电极相与溶液金属电极浸入含有该种金属离子的溶液时，如果金属离子在电极相与溶液相中的化学势不相等，则必然发生相间转移，即金属离子会从化学势较高相中的化学势不相等，则必然发生相间转移，即金属离子会从化学势较高的相转移到化学势教低的相中，使相间出现电势差。的相转移到化学势教低的相中，使

6、相间出现电势差。第11页/共52页可以想见，由于静电引力的作用，这种金属离子的相间转移很快停止，达到平衡状态，于是相间电势差趋于稳定。电极相所带的电荷是集中在电极表面的，而溶液中的带异号电荷的离子，一方面受到电极表面电荷的吸引，趋向于排列在紧靠电极表面附近；另一方面，由于热运动，这种集中了的离子又会向远离电极的方向分散。当静电引力与热分散平衡时，在电极与溶液界面处形成了一个双电层。双电层是由电极表面电荷层与溶液中的反号电荷层所构成，而溶液中的反号离子又分为紧密层和扩散层两部分。第12页/共52页eeeeeeee第13页/共52页第14页/共52页外电位把单位正电荷在真空中从无穷远处移到离表面

7、10-6m处所作的电功，可以测量。表面电势从10-6m将单位正电荷通过界面移到物相内部所作的功。无法测量。内电位无法测量。=+X物质相的内电位、外电位、表面电势第15页/共52页 电池中，在两种不同的电解质溶液，或者是同种电解质但浓度不同的溶液与溶液界面上也会形成双电层，产生电势差，称为液体接界电势。这种电势差是由于离子扩散速度不同而产生，故又称扩散电势，30mV。 扩散是不可逆过程，因此液体接界电势的存在能使电池的可逆性遭到破坏。同时，液体接界电势目前既难于单独测量，又不便准确计算。鉴于此，人们总是设法尽可能地消除电池中液体接界电势，通常采用的方法是“盐桥法”。二、溶液二、溶液-溶液界面电势

8、差和盐桥溶液界面电势差和盐桥第16页/共52页 H+Cl-浓浓HCl稀稀HCl H+HCl溶液溶液KCl溶液溶液K+液接电势的产生液接电势的产生第17页/共52页在两个溶液之间，放置一正负离子迁移数接近的溶液，以两个液体接界代替一个接界。由于正负离子迁移数相同接近，在截面界面上产生的液体接界电势数值很小，而且这两个很小的接界电势又常常是符号相反，因此这两个液体接界电势之和比原来一个液体接界电势要低很多。常用饱和KCl盐桥，因为K+与Cl-的迁移数相近，当有Ag+时用KNO3或NH4NO3。 盐桥只能降低液接电势，但不能完全消除，只有电池反串联才能完全消除Ej，但化学反应和电动势都会改变。第18

9、页/共52页电池电动势的产生电池电动势的产生 各界面电势差之和就是电池电动势各界面电势差之和就是电池电动势采用盐桥消除液体接界电势后：扩散EE第19页/共52页( 3）离子的热力学量 通过电池电动势及其温度系数的测定，可以准确地得知电池各热力学量；反过来，若能求得化学反应各热力学量，亦可以预知某电池的电动势及其温度系数。由于电化学反应往往有离子参与，首先需要解决离子的热力学量的确定。 规定：在任何温度下，H+标准摩尔生成自由能、标准摩尔生成自由焓及标准摩尔熵均为零。 根据这个规定可以方便地确定其他离子的相应热力学量。第20页/共52页 （2）电极电势 1. 标准氢电极2. 任意电极电势数值和符

10、号的确定采用盐桥消除液体接界电势后，第21页/共52页 4. 参比电极 由于氢电极在制备和使用过程中要求严格，所以实际测量电极电势时，经常使用一种易于制备、使用方便、电势稳定的电极作参比电极。其电极电势已经与氢电极相比而求出了比较精确的数值，只要将此参比电极与待测电极组成电池，测量其电动势，就可求出待测电极的电势值。常用的参比电极有甘汞电极、银-氯化银电极等。第22页/共52页 一般采用对消法或称补偿法测定电池电动势，常用的仪器称为电势差一般采用对消法或称补偿法测定电池电动势，常用的仪器称为电势差计。计。 电势差计中所用的标准电池，其电动势已精确测量，且其数值能保持电势差计中所用的标准电池，其

11、电动势已精确测量，且其数值能保持长期稳定不变。常用的是长期稳定不变。常用的是Weston标准电池。标准电池。第七节电池电动势的测定第七节电池电动势的测定一、对消法测电池电动势一、对消法测电池电动势第23页/共52页对消法测电池电动势第24页/共52页工作电源电位计检流计标准电池待测电池第25页/共52页电池反应：(-) Cd(Hg)Cd2+Hg(l)+2e-(+)Hg2SO4(s)+2e-2Hg(l)+SO42-净反应：Hg2SO4(s)+Cd(Hg)(a)+8/3H2OCdSO48/3H2O(s)+Hg(l)第26页/共52页第27页/共52页 为什么在一定温度下，含Cd的质量百分数在514

12、%之间，标准电池的电动势有定值？从Hg-Cd的相图可知，在室温下，镉汞齐中镉含量在514%之间时，体系处于熔化物和固溶体两相平衡区，镉汞齐活度有定值。而标准电池电动势只与镉汞齐的活度有关，所以也有定值。第28页/共52页第29页/共52页ET/V=1.01845-4.0510-5(T/K-293.15)- 9.510-7(T/K-293.15)2+110-8(T/K-293.15)3ET/V=E(293.15K)/V-39.94(T/K-293.15)+0.929(T/K-293.15)2- 0.009(T/K-293.15)3+0.00006(T/K-293.15)410-6我国在1975年

13、提出的公式为：通常要把标准电池恒温、恒湿存放，使电动势稳定。第30页/共52页第八节第八节 可逆电池热力学可逆电池热力学一、由可逆电池的电动势计算化学反应的一、由可逆电池的电动势计算化学反应的D DrGmddd GS TV p zEFWGpTDmax,mr)(当反应为当反应为 1mol时，测得电池的时，测得电池的E就能计算该反应的就能计算该反应的D DrGm第31页/共52页二、电动势及温度系数与电池反应二、电动势及温度系数与电池反应热力学量的关系热力学量的关系ppppTEzFSSTGTEzFTGFEzGDDDDDmrmrmrmrmr )( )(式中：式中： 是电池的温度系数，可从不同温度下的

14、电池电动势测定。是电池的温度系数，可从不同温度下的电池电动势测定。pTE)(第32页/共52页DDDDDDDDETETzFSTGHTEzFTSTQTEzFSSTGHpppmrmrmrmrrmrmrmrmr pTE)(0，吸热；，吸热；0，放热，放热pTE)(pQH Dr 电池反应中：第33页/共52页 能斯特方程 对温度为T时的反应: aA + bB = gG + hH其能斯特方程为:bahgaaaaZFRTEEBAHGolnnFGEnFGEQRTGGmrmramrmrDDDD ;ln四、可逆电池电动势与浓度的关系四、可逆电池电动势与浓度的关系第34页/共52页例：计算电池例：计算电池298K

15、时的电动势：时的电动势：(Pt) H2(g,p)|HCl(m=0.1,=0.796)|AgCl-Ag(s)己知298K时电池的E=0.2224V 。电极反应：负极电极反应：负极1/2H2(g)-2e=H+(m)正极正极 AgCl(s)+e=Ag(s)+Cl-电池反应：电池反应： 1/2H2(g)+ AgCl(s)+e=H+(m)+Ag(s)+Cl-ClHoAgCl2HAgClHoBAHGoln)/(lnln2aaFRTEEappaaaFRTEEaaaaZFRTEEbahg第35页/共52页3524. 0 10336. 6ln02569. 02224. 0 10336. 6ln9648515.2

16、98314. 8224. 010336. 6)796. 01 . 0()(796. 0)(33322ClH22ClHEmaamaaaa第36页/共52页第九节、电极电势第九节、电极电势为了任意电极的相对电极电势数值，目前普遍采用标准氢电极作为标为了任意电极的相对电极电势数值，目前普遍采用标准氢电极作为标准电极。规定任意温度下准电极。规定任意温度下标准氢电极标准氢电极的电极电势等于零。的电极电势等于零。其他电极的电势均其他电极的电势均是相对于标准氢电极是相对于标准氢电极而得到的数值。而得到的数值。标准氢电极一、标准氢电极一、标准氢电极第37页/共52页标准氢电极用镀铂黑的金属铂导电第38页/共5

17、2页1953年，年，IUPAC统一规定：将标准氢电极作为发生氧化反应的负极，而统一规定：将标准氢电极作为发生氧化反应的负极，而将待测电极作为发生还原作用的正极，组成如下电池：将待测电极作为发生还原作用的正极，组成如下电池：该电池电动势的数值和符号，就是待测电极电势的数值和符号。该电池电动势的数值和符号，就是待测电极电势的数值和符号。待测电极|) 1(H| )(H)Pt(o2ap二、任意电极的电极电势二、任意电极的电极电势第39页/共52页(Pt) H2(g,p)|H(aH=1)|AgCl-Ag(s)电极反应：负极电极反应：负极1/2H2(g)-2e=H+(m)正极正极 AgCl(s)+e=Ag

18、(s)+Cl-电池反应：电池反应： 1/2H2(g)+ AgCl(s)=H+(m)+Ag(s)+Cl- E=0.2224, AgCl-Ag=0.2224V第40页/共52页(Pt) H2(g,p)|H(aH=1)|Zn2+ (aZn2+=1) |Zn(s)电极反应：负极电极反应：负极H2(g) - 2e = 2H+(m)正极正极 Zn2+ + 2e = Zn(s) 电池反应：电池反应： H2(g)+ Zn2+ (a=1) = 2H+(aH=1)+Zn(s) E=-0.763, AgCl-Ag=-0.763V第41页/共52页生物标准态：生物标准态：H H+ +的标准态为的标准态为a aH H=

19、10=10-7-7, ,如作为产物出现时：如作为产物出现时：A + B = C + HA + B = C + H+ + +Ze +Ze- - 如作为反应物出现时：如作为反应物出现时：zzFRTaaaazFRTBAHc/414. 010ln ln7z/414. 0第42页/共52页(Pt) H2(g,p)|H(aH=1)|Cu2+ (aZn2+=1) |Cu(s) 负极负极H2(g) - 2e = 2H+(m)正极正极 Cu2+ + 2e = Cu (s) 电池反应：电池反应： H2(p)+ Cu2+ (a=1) = 2H+(aH=1)+Cu(s)ln()ln(ln2/CCu/CCu222222

20、22HHHHuCuCuuHHaaZFRTaaZFRTaaaaZFRTEE第43页/共52页222CCu/lnuCuCuCuCuaaZFRT铜电极电势：铜电极电势：氧化态氧化态ZeZe还原态还原态氧化态还原态aaZFRTln第44页/共52页 包括金属电极和气体电极和汞齐电极等。（一）金属电极将金属浸在含有该种金属离子的溶液中所构成，以符号Mz+ |M表示。电极反应为：Mz+(a+)+ze- M(s) 第十节电极的类型第十节电极的类型一、第一类电极一、第一类电极Zn(s)|ZnSO4(aq): Zn-2e 2Zn+ZZZaaZFRTMMMMMM/ln第45页/共52页（二）气体电极（二）气体电极氢电极、氧电极和氯电极，分别是将被氢电极、氧电极和氯电极，分别是将被H2 、 O2 、 Cl2气体冲击着的铂片浸入含有气体冲击着的铂片浸入含有H+ 、 OH- 、 Cl-的溶液中而构成，用符号的溶液中而构成，用符号(Pt)H2|H+或或(Pt)H2|OH- 、 (Pt)O2|OH-或或(Pt)O2|H2O，H+、 (Pt)Cl2|Cl-表示。表示。(Pt)H2|H+: H2(Pt, p)-2e2H+(Pt)H2|OH- : H2 (Pt, p) -2e+OH- 2H2O HHH/