物理化学07章电化学课件

电能

化学能电解电池物理化学电子教案—第七章电化学∆rGm2023/7/24电解质溶液原电池中的电化学过程电解池中的电化学过程电极上的电化学反应电解质溶液的导电性质2023/7/24主要内容电化学的基本概念和法拉第定律(一)电解质溶液离子的电迁移和迁移数电导强电解质溶液理论简介2023/7/241.1

电化学的基本概念

电化学研究对象

电化学主要是研究电能和化学能之间的相互转化及转化过程中有关规律的科学。电能

化学能电解电池2023/7/24电化学的用途⒈电解精炼和冶炼有色金属和稀有金属； 电解法制备化工原料； 电镀法保护和美化金属； 还有氧化着色等。⒉电池汽车、宇宙飞船、照明、通讯、 生化和医学等方面都要用不同类 型的化学电源。⒊电分析 ⒋生物电化学2023/7/24两类导体A.自由电子作定向移动而导电B.导电过程中导体本身不发生变化C.温度升高，电阻也升高D.导电总量全部由电子承担又称电子导体，如金属、石墨等。1.第一类导体2023/7/24A.正、负离子作反向移动而导电B.导电过程中有化学反应（电极反应）发生C.温度升高，电阻下降??D.导电总量分别由正、负离子分担⒉第二类导体又称离子导体，如电解质溶液、熔融电解质等。*固体电解质，如 等，也属于离子导体，但它导电的机理比较复杂，导电能力不高。两类导体2023/7/24正极、负极电势低的极称为负极，电子从负极流向正极。负极：电势高的极称为正极，电流从正极流向负极。正极：2023/7/24阴极、阳极发生还原作用的极称为阴极，在原电池中，阴极是正极；在电解池中，阴极是负极。阴极：(Cathode)发生氧化作用的极称为阳极，在原电池中，阳极是负极；在电解池中，阳极是正极。阳极：(Anode)2023/7/24离子迁移方向---反向迁移阴离子迁向阳极阳离子迁向阴极2023/7/24原电池(galvaniccell)Cu2++2e-→Cu(S)发生还原作用，是阴极。电流由Cu极流向Zn极，Cu极电势高，是正极。Cu电极：Zn(S)→Zn2++2e-发生氧化作用，是阳极。电子由Zn极流向Cu极，Zn极电势低，是负极。Zn电极：2023/7/24电解池(electrolyticcell)与外电源正极相接，是正极。发生氧化反应，是阳极。Cu(S)→Cu2++2e-电极②：与外电源负极相接，是负极。发生还原反应，是阴极。Cu2++2e-→Cu(S)电极①：①②2023/7/241.2法拉第定律法拉第定律的文字表述⒈在电极界面上发生化学变化物质的量与通入的电量成正比。⒉通电于若干个电解池串联的线路中，当所取的基本粒子的荷电数相同时，在各个电极上发生反应的物质，其物质的量相同，析出物质的质量与其摩尔质量成正比。2023/7/24法拉第定律的数学表达式取电子的得失数为z，通入的电量为Q，则电极上发生反应的物质的量n

为：电极上发生反应的物质的质量m

为：或2023/7/24法拉第常数F=L·e

法拉第常数在数值上等于1mol元电荷的电量。已知每个元电荷电量为=6.022×1023

mol-1×1.6022×10-19C

=96484.6C·mol-1≈96500C·mol-12023/7/24荷电粒子基本单元的选取根据法拉第定律，通电于若干串联电解池中，每个电极上析出物质的物质的量相同，这时，所选取的基本粒子的荷电绝对值必须相同。例如：荷一价电阴极 阳极荷三价电

阴极

阳极荷二价电阴极

阳极2023/7/24例题：

通电于 溶液，电流强度，

析出 。已知。求：

⑴通入电量

；⑵通电时间；⑶阳极上放出氧气的物质的量。荷电粒子基本单元的选取2023/7/24解法一取基本粒子为单位电荷：即2023/7/24解法二⑵t同上取基本粒子为3个基本电荷：即Au，2023/7/24法拉第定律的意义⒈是电化学上最早的定量的基本定律，揭示了通入的电量与析出物质之间的定量关系。⒉该定律在任何温度、任何压力下均可以使用。⒊该定律的使用没有什么限制条件。2023/7/241.3

离子的电迁移和迁移数离子的电迁移现象电迁移率和迁移数离子迁移数的测定2023/7/24离子的电迁移现象设想在两个惰性电极之间有想象的平面AA和BB，将溶液分为阳极部、中部及阴极部三个部分。假定未通电前，各部均含有阳、阴离子各5mol，分别用+、-号代替。2023/7/24离子的电迁移现象2023/7/24设离子都是一价的，当通入4mol电子的电量时，阳极上有4mol阴离子氧化，阴极上有4mol阳离子还原。两惰性电极间阳、阴离子要共同承担4mol电子电量的运输任务。现在离子都是一价的，则离子运输电荷的数量只取决于离子迁移的速度。离子的电迁移现象2023/7/241．设阳、阴离子迁移的速率相等， ，则导电任务各分担2mol，在假想的AA、BB平面上各有2mol阳、阴离子逆向通过。当通电结束，阴、阳两极部溶液浓度相同，但比原溶液各少了2mol，而中部溶液浓度不变。离子的电迁移现象2023/7/24离子的电迁移现象2023/7/242．设阳离子迁移速率是阴离子的三倍， ，则阳离子导3mol电量，阴离子导1mol电量。在假想的AA、BB平面上有3mol阳离子和1mol阴离子逆向通过。通电结束，阳极部阳、阴离子各少了3mol，阴极部只各少了1mol，而中部溶液浓度仍保持不变。离子的电迁移现象2023/7/24离子的电迁移现象2023/7/24思考题：若阳离子、阴离子均为荷二价的，且阳、阴两电极反应中的电子得失数均为2，其余条件相同。试考虑前面两种电迁移情况有何不同？2023/7/24离子电迁移的规律1.向阴、阳两极迁移的阳、阴离子物质的量总和等于通入溶液的总电量数？？如果阳、阴离子荷电量不等，且电极本身也发生反应，情况就要复杂一些。2023/7/24离子的电迁移率离子在电场中运动的速率用公式可表示为：式中为电位梯度，比例系数和分别称为阳、阴离子的电迁移率，又称为离子淌度（ionicmobility），即相当于单位电位梯度时离子迁移的速率。它的单位是 。电迁移率的数值与离子本性、电位梯度、溶剂性质、温度等因素有关，可以用界面移动法测量。2023/7/24离子迁移数的定义

把离子B所运载的电流与总电流之比称为离子B的迁移数（transferencenumber）用符号表示。数值上总小于1。由于阳、阴离子移动的速率不同，所带的电荷不等，因此它们在迁移时所分担电量的分数也不同。其定义式为：2023/7/24迁移数在数值上还可表示为：？?阴离子应有类似的表示式。如果溶液中只有一种电解质，则：如果溶液中有多种电解质，共有i种离子，则：离子迁移数的定义2023/7/24迁移数的测定方法*(1)Hittorf法在Hittorf迁移管中装入已知浓度的电解质溶液，接通稳压直流电源，这时电极上有反应发生，阳、阴离子分别向阴、阳两极迁移。小心放出阴极部（或阳极部）溶液，称重并进行化学分析，根据通入的电量和极区浓度的变化，就可计算离子的迁移数。

通电一段时间后，电极附近溶液浓度发生变化，中部基本不变。2023/7/24迁移数的测定方法2023/7/24Hittorf法中必须采集的数据：1.通入的电量，由库仑计中称重阴极质量的增加而得，例如，银库仑计中阴极上有0.0405gAg析出，2.电解前含某离子的物质的量n起始。3.电解后含某离子的物质的量n终了。4.写出电极上发生的反应；判断某离子浓度是增加了、减少了还是没有发生变化。5.判断离子迁移的方向。迁移数的测定方法2023/7/24例题：在Hittorf迁移管中，用Cu电极电解已知浓度的CuSO4溶液。通电一定时间后，串联在电路中的银库仑计阴极上有 析出。阴极部溶液质量为，据分析知，在通电前其中含通电后含 。试求和的离子迁移数。迁移数的测定方法2023/7/24解法1：先求的迁移数，以为基本粒子，已知：阴极上还原，使浓度下降

迁往阴极（导电），迁移使阴极部增加，

迁移数的测定方法2023/7/24解法2先求的迁移数，以为基本粒子。阴极上不发生反应，电解不会使阴极部离子的浓度改变。电解时迁向阳极，迁移使阴极部减少。迁移数的测定方法2023/7/24解法3：如果分析的是阳极部的溶液，基本计算都相同，只是离子浓度变化的计算式不同。(2)阳极部先计算迁移数，阳极部不发生反应，迁入。（1）阳极部先计算的迁移数，阳极部Cu氧化成，另外是迁出的，迁移数的测定方法2023/7/24在电动势测定应用中，如果测得液接电势值，就可计算离子的迁移数。由于HCl浓度不同所产生液接电势的计算式为已知和，测定，就可得和的值。(2)电动势法（见原电池部分）2023/7/241.4

电导电导、电导率、摩尔电导率电导的测定电导率、摩尔电导率与浓度的关系离子独立移动定律几个有用的关系式电导测定的一些应用2023/7/24电导、电导率、摩尔电导率电导（electriccondutance）电导与导体的截面积成正比，与导体的长度成反比：电导是电阻的倒数，单位为或。2023/7/24电导率（electrolyticconductivity）电导率单位是 或。比例系数k称为电导率。因为电导率也就是电阻率的倒数：电导、电导率、摩尔电导率2023/7/24摩尔电导率（molarconductivity）在相距为单位距离的两个平行电导电极之间，放置含有1mol电解质的溶液，这时溶液所具有的电导称为摩尔电导率，单位为 。是含有1mol电解质的溶液的体积，单位为，是电解质溶液的浓度，单位为。电导、电导率、摩尔电导率2023/7/24电导、电导率、摩尔电导率2023/7/24基本质点的选取摩尔电导率必须对应于溶液中含有1mol电解质，但对电解质基本质点的选取决定于研究需要。例如，对 溶液，基本质点可选为 或 ，显然，在浓度相同时，含有1mol溶液的摩尔电导率是含有1mol溶液的2倍？？。即：为了防止混淆，必要时在后面要注明所取的基本质点。2023/7/24电导的测定电导池：电导池电极通常用两个平行的铂片制成，为了防止极化，一般在铂片上镀上铂黑，增加电极面积，以降低电流密度。2023/7/24电导池常数（cellconstant）电导池常数 单位是。因为两电极间距离l

和镀有铂黑的电极面积A无法用实验测量，通常用已知电导率的KCl溶液注入电导池，测定电阻后得到。然后用这个电导池测未知溶液的电导率。2023/7/24电导率与浓度的关系强电解质溶液的电导率随着浓度的增加而升高。当浓度增加到一定程度后，解离度下降，离子运动速率降低，电导率也降低，如H2SO4

和KOH溶液。弱电解质溶液电导率随浓度变化不显著，因浓度增加使其电离度下降，粒子数目变化不大，如醋酸。中性盐由于受饱和溶解度的限制，浓度不能太高，如KCl。2023/7/24电导率与浓度的关系2023/7/24摩尔电导率与浓度的关系由于溶液中导电物质的量已给定，都为1mol，所以，当浓度降低时，粒子之间相互作用减弱，正、负离子迁移速率加快，溶液的摩尔电导率必定升高。但不同的电解质，摩尔电导率随浓度降低而升高的程度也大不相同。2023/7/24强电解质的Lm与c的关系随着浓度下降，升高，通常当浓度降至 以下时，与之间呈线性关系。德国科学家Kohlrausch总结的经验式为：是与电解质性质有关的常数。2023/7/24强电解质的Lm与c的关系将直线外推至 ，得到无限稀释摩尔电导率。2023/7/24随着浓度下降，也缓慢升高，但变化不大。当溶液很稀时，与不呈线性关系，等稀到一定程度，迅速升高，见 的与的关系曲线。弱电解质的不能用外推法得到。弱电解质的Lm与c的关系2023/7/24离子独立移动定律德国科学家Kohlrausch根据大量的实验数据，发现了一个规律：在无限稀释溶液中，每种离子独立移动，不受其它离子影响，则电解质的无限稀释摩尔电导率可认为是两种离子无限稀释摩尔电导率之和：这样，弱电解质的可以通过强电解质的或直接从表值上查离子的求得。2023/7/24*一些有用的关系式对于强电解质，在浓度不太大时近似有利用这些关系式，能从实验可测物理量求不可测物理量。2023/7/24*电导测定的一些应用（1）检验水的纯度纯水本身有微弱的解离，H+和OH-的浓度近似为 ，查表得，这样，纯水的电导率应为事实上，水的电导率小于就认为是很纯的了，有时称为“电导水”，若大于这个数值，那肯定含有某种杂质。2023/7/24(2)计算弱电解质的解离度和解离常数设弱电解质AB解离如下：以 作图，从截距和斜率求得和值。这就是德籍俄国物理化学家Ostwald提出的定律，称为Ostwald稀释定律。*电导测定的一些应用2023/7/24（3）测定难溶盐饱和溶液的溶解度运用摩尔电导率的公式就可以求得难溶盐饱和溶液的浓度。2．难溶盐本身的电导率很低，这时水的电导率就不能忽略，所以：*电导测定的一些应用1．难溶盐饱和溶液的浓度极稀，可认为 ，的值可从离子的无限稀释摩尔电导率的表值得到。2023/7/24（4）电导滴定在滴定过程中，离子浓度不断变化，电导率也不断变化，利用电导率变化的转折点，确定滴定终点。电导滴定的优点是不用指示剂，对有色溶液和沉淀反应都能得到较好的效果，并能自动纪录。*电导测定的一些应用2023/7/241.5

强电解质溶液理论简介平均活度和平均活度系数离子强度 电导理论2023/7/24当溶液很稀，可看作是理想溶液， ，则：平均活度和平均活度系数非电解质化学势表示式2023/7/24电解质化学势的表达式强电解质溶解后全部变成离子。为简单起见，先考虑1-1价电解质，如HCl，平均活度和平均活度系数2023/7/24对任意价型电解质平均活度和平均活度系数2023/7/24定义离子平均活度离子平均活度系数离子平均质量摩尔浓度平均活度和平均活度系数2023/7/24对1-1价电解质平均活度和平均活度系数从电解质的求2023/7/24离子强度式中是离子的真实浓度，若是弱电解质，应乘上电离度。的单位与的单位相同。从大量实验事实看出，影响离子平均活度系数的主要因素是离子的浓度和价数，而且价数的影响更显著。1921年，Lewis提出了离子强度（ionicstrength）的概念。当浓度用质量摩尔浓度表示时，离子强度等于：Lewis2023/7/24德拜-休克尔极限定律德拜-休克尔根据离子氛的概念，并引入若干假定，推导出强电解质稀溶液中离子活度系数的计算公式，称为德拜-休克尔极限定律。式中是i离子的电荷，是离子强度，是与温度、溶剂有关的常数，水溶液的值有表可查。由于单个离子的活度系数无法用实验测定来加以验证，这个公式用处不大。2023/7/24德拜-休克尔极限定律的常用表示式：这个公式只适用于强电解质的稀溶液、离子可以作为点电荷处理的体系。式中为离子平均活度系数，从这个公式得到的为理论计算值。用电动势法可以测定的实验值，用来检验理论计算值的适用范围。德拜-休克尔极限定律2023/7/24对于离子半径较大，不能作为点电荷处理的体系，德拜-休克尔极限定律公式修正为：则式中为离子的平均有效直径，约为 ，是与温度、溶剂有关的常数，在298K的水溶液中，德拜-休克尔极限定律2023/7/24

物理化学电子教案—第七章2023/7/24主要内容可逆电池和可逆电极二可逆电池的电动势及其应用生物电化学可逆电池的书写方法及电动势的取号可逆电池的热力学浓差电池和液体接界电势的计算公式电动势测定的应用2023/7/241可逆电池和可逆电极电化学与热力学的联系标准电池可逆电极的类型组成可逆电池的必要条件2023/7/24电化学与热力学的联系桥梁公式:2023/7/24组成可逆电池的必要条件化学反应可逆

能量变化可逆原电池电解池2023/7/24净反应原电池总反应：电解池阴极：阳极：组成可逆电池的必要条件2023/7/24标准电池结构图电极反应：(-)Cd(Hg)→Cd2++Hg(l)+2e-(+)Hg2SO4(s)+2e-→2Hg(l)+SO42-总反应：Hg2SO4(s)+Cd(Hg)(a)+8/3H2O →CdSO4·8/3H2O(s)+Hg(l)2023/7/24标准电池结构图2023/7/24可逆电极的类型金属与其阳离子组成的电极氢电极氧电极卤素电极汞齐电极⑴第一类电极金属-难溶盐及其阴离子组成的电极金属-氧化物电极⑵第二类电极氧化-还原电极⑶第三类电极2023/7/24第一类电极及其反应Na+(a+)|Na(Hg)(a) Na+(a+)+nHg+e-

→Na(Hg)n(a)电极电极反应Mz+(a+)|M(s) Mz+(a+)+ze-→M(s)H+(a+)|H2(p),Pt 2H+(a+)+2e-

→H2(p)OH-(a-)|H2(p),Pt 2H2O+2e-

→H2(p)+2OH-(a-)H+(a+)|O2(p),Pt O2(p)+4H+(a+)+4e-

→2H2OOH-(a-)|O2(p),Pt O2(p)+2H2O+4e-

→4OH-(a-)

Cl-(a-)|Cl2(p),Pt Cl2(p)+2e-

→2Cl-(a-)2023/7/24第二类电极及其反应电极电极反应Cl-(a-)|AgCl(s)|Ag(s) AgCl(s)+e-→Ag(s)+Cl-(a-)OH-(a-)|Ag2O|Ag(s) Ag2O(s)+H2O+2e- →2Ag(s)+2OH-(a-)H+(a+)|Ag2O(s)|Ag(s) Ag2O+2H+(a+)+2e-

→2Ag(s)+H2O2023/7/24第三类电极及其反应电极电极反应Fe3+(a1),Fe2+(a2)|Pt Fe3+(a1)+e-→Fe2+(a2)Cu2+(a1),Cu+(a2)|Pt Cu2+(a1)+e-→Cu+(a2)Sn4+(a1),Sn2+(a2)|Pt Sn4+(a1)+2e-→Sn2+(a2)2023/7/242可逆电池的书写方法及电动势的取号可逆电池的书面表示法可逆电池电动势的取号从化学反应式设计电池2023/7/24可逆电池的书面表示法1.

左边为负极（阳极），起氧化作用；

右边为正极（阴极），起还原作用。2.“|”表示相界面，有电势差存在。3.“||”表示盐桥，使液接电势降到可以忽略不计。4.“┆”表示半透膜。5.要注明温度，不注明就是298.15K；要注明物态，

气体要注明压力；溶液要注明浓度。6.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。2023/7/24可逆电池电动势的取号DrGm=-zEF原电池：

DrGm<0，E>0例如：Zn(s)|Zn2+||Cu2+|Cu(s)Zn(s)+Cu2+→Zn2++Cu(s) DrGm<0，E>0电解池：

DrGm>0，E<0Cu(s)|Cu2+||Zn2+|Zn(s)Zn2++Cu(s)→Zn(s)+Cu2+

DrGm>0，E<02023/7/24从化学反应设计电池(1)Zn(s)+H2SO4(aq)→H2(p)+ZnSO4(aq)验证：(-)Zn(s)→Zn2++2e-(+)2H++2e-→H2(p)Zn(s)|ZnSO4||H2SO4|H2(p),Pt净反应：Zn(s)+2H+→Zn2++H2(p)2023/7/24AgCl(s)→Ag++Cl-验证：(-)Ag(s)→Ag++e-(+)AgCl(s)+e-→Ag(s)+Cl-Ag(s)|Ag+(aq)||HCl(aq)|AgCl(s)|Ag(s)净反应：AgCl(s)→Ag++Cl-从化学反应设计电池(2)AgCl(s)+Ag(s)→Ag++Cl-+Ag(s)2023/7/24*3可逆电池的热力学

E与活度a的关系

从Eθ求平衡常数Kθ

E,ΔrGm和Kθ与电池反应的关系从E及其温度系数求ΔrHm和ΔrSm2023/7/24E与a(活度)的关系(-)H2(p1)→2H+(aH+)+2e-(+)Cl2(p2)+2e-→2Cl-(aCl-)净反应：H2(p1)+Cl2(p2)→2H+(aH+)+2Cl-(aCl-) （1）

→2HCl(a) （2）Pt,H2(p1)|HCl(0.1mol·kg-1)|Cl2(p2),Pt2023/7/24（1）H2(p1)+Cl2(p2)→2H+(aH+)+2Cl-(aCl-)因为2023/7/24（2）两种写法，结果相同。H2(p1)+Cl2(p2)→2HCl(a) 对1-1价电解质2023/7/24

Eθ与Kθ所处的状态不同，Eθ处于标准态，Kθ处于平衡态，只是ΔrGm

θ将两者从数值上联系在一起。Eθ求平衡常数Kθ2023/7/24例如：①H2()+Cl2()→2H+(a+)+2Cl-(a-)②1/2H2(

)+1/2Cl2(

)→H+(a+)+Cl-(a-)E,ΔrGmθ

和Kθ与电池反应的关系2023/7/24从E及其温度系数求ΔrHm和ΔrSm2023/7/244电极电势和电池电动势标准氢电极氢标还原电极电势为何电极电势有正、负二级标准电极——甘汞电极电池电动势的计算电极电势计算通式2023/7/24标准氢电极规定标准氢电极用镀铂黑的金属铂导电2023/7/24氢标还原电极电势E(Ox|Red)（-）（+）

阳极，氧化 阴极，还原以标准氢电极为阳极，待测电极为阴极，因为为零，所测电动势即为待测电极的氢标还原电极电势。2023/7/24电极电势计算通式----能斯特方程氧化态+ze-→还原态a(Ox)+ze-→a(Red)这就是Nernst方程。2023/7/24为何电极电势有正、有负？E(Ox|Red)

>0E(Ox|Red)

<0标准氢电极||给定电极E(Ox|Red)

=0E增大（非自发电池）（自发电池）2023/7/24二级标准电极——甘汞电极0.1 0.33371.0 0.2801饱和 0.2412氢电极使用不方便，用有确定电极电势的甘汞电极作二级标准电极。2023/7/24电池电动势的计算净反应:方法一:2023/7/24化学反应等温式两种方法，结果相同方法二2023/7/245电动势产生的机理界面电势差电动势的值

E值为什么可以测量准确断路2023/7/24在金属与溶液的界面上，由于正、负离子静电吸引和热运动两种效应的结果，溶液中的反离子只有一部分紧密地排在固体表面附近，称为紧密层；另一部分离子按一定的浓度梯度扩散到本体溶液中，称为扩散层。紧密层和扩散层构成了双电层。金属表面与溶液本体之间的电势差即为界面电势差。界面电势差2023/7/24界面电势差2023/7/24Ψ-外电位把单位正电荷在真空中从无穷远处移到离表面10-4cm处所作的电功，可以测量。Χ-表面电势从10-4cm将单位正电荷通过界面移到物相内部所作的功，无法测量。物质相的外电位、表面电势界面电势差2023/7/24电动势的值E=Φ接触+Φ-+Φ扩散+Φ+Φ接触Φ-Φ扩散Φ+2023/7/24E值为什么可以测量？E=Φ接触+Φ-+Φ+

=Cu’ΦZn+ZnΦSol

+SolΦCu+[(ΨZn+ΧZn)-(ΨSol+ΧSol)]

=ΨCu’-ΨCu设：使用盐桥，Φ扩散→0可以测量=[(ΨCu’+ΧCu’)-(ΨZn+ΧZn)]

+[(ΨSol+ΧSol)-(ΨCu+ΧCu)]2023/7/24正确断路---对消法测电动势

测定电动势时必须正确断路，才能使电动势等于两个相同金属的外电位之差，可以测量。当电池的两个终端相为同一物质时，称为正确断路。例如下述电池：2023/7/246浓差电池和液接电势浓差电池液体接界电势对盐桥作用的说明总电动势E与Ec，Ej的关系2023/7/24浓差电池(ConcentrationCell)A.电极浓差电池1.2.3.2023/7/24B.电解质相同而活度不同4.5.浓差电池(ConcentrationCell)2023/7/24电池净反应不是化学反应，仅仅是某物质从高压到低压或从高浓度向低浓度的迁移。电池标准电动势Eθ=0浓差电池的特点浓差电池(ConcentrationCell)2023/7/24液体接界电势Ej液接电势1.液体界面间的电迁移（设通过1mol电量）整个变化的2023/7/24对1-1价电解质，2.液接电势的计算测定液接电势，可计算离子迁移数。液体接界电势Ej2023/7/24Pt|H2(p)|HCl(m)‖HCl(m')|H2(p)|PtEj2023/7/24对盐桥作用的说明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。盐桥中离子的r+≈r-，t+≈t-，使Ej≈0。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。盐桥中盐的浓度要很高，常用饱和溶液。2023/7/24总电动势E与Ec，Ej的关系2023/7/247

电动势测定的应用（2）判断氧化还原的方向（3）求离子迁移数（1）求热力学函数的变化值（4）测平均活度系数r±（5）求

(不稳定)等（6）测溶液的pH（8）E(Ox|Red)~-lga图（7）

E(Ox|Red)~pH图2023/7/24求热力学函数的变化值测定：应用：求2023/7/24判断氧化还原的方向已知：试判断下述反应向哪方进行？排成电池：设活度均为1正向进行2023/7/24求离子迁移数(3)求一价离子的迁移数t+，t-解出t+和t-2023/7/24测离子平均活度系数r±和m已知，测定E，可求出g±2023/7/24求

(不稳定)A.求AgCl(s)的设计电池，使电池反应为2023/7/24B.求水的设计电池，使电池反应为：H2O→H++OH-电池Ⅰ:求

(不稳定)2023/7/24电池Ⅱ:求

(不稳定)2023/7/24测溶液的pHA.

醌·氢醌电极2023/7/24摩尔甘汞电极||醌·氢醌|Pt测溶液的pH2023/7/24B.

玻璃电极pH定义：测溶液的pH2023/7/24E(Ox|Red)-pH图在保持温度和离子浓度为定值的情况下，将电极电势与pH值的函数关系在图上用一系列曲线表示出来，这种图就称为电势-pH图。什么叫电势-pH图？电极电势的数值不但与溶液中离子的浓度有关，而且有的还与溶液的pH值有关。通常用电极电势作纵坐标，pH值作横坐标，在同一温度下，指定一个浓度，就可以画出一条电势-pH曲线。2023/7/24

应用于：1.离子分离，2.湿法冶金，3.金属防腐及解决水溶液中发生的一系列氧化还原反应及平衡问题。电势-pH图的应用从电势-pH图可以清楚地看出各组分生成的条件及稳定存在的范围。因为它表示的是电极反应达平衡时的状态，所以电势-pH图也称为电化学平衡图。E(Ox|Red)-pH图2023/7/24测E(Ox|Red)～-lga图例1:2023/7/24反应CuCl2(a)→Cu(s)+Cl2(p)是非自发的，电池为非自发电池。

利用这类图，可计算不同离子活度时的电动势。

测E(Ox|Red)～-lga图2023/7/24例2:求AgCl(s)的Ksp对应电池为：测E(Ox|Red)～-lga图2023/7/24

在O点处，两个电极电势相等，电池达平衡，电动势E=0测E(Ox|Red)～-lga图2023/7/24

物理化学电子教案—第七章2023/7/24

三电解与极化作用*

1分解电压*

2极化作用*

3电解时电极上的反应4金属的电化学腐蚀与防腐5化学电源2023/7/24理论分解电压理论分解电压——使某电解质溶液能连续不断发生电解时所必须外加的最小电压，在数值上等于该电解池作为可逆电池时的可逆电动势。1分解电压2023/7/24分解电压的测定使用Pt电极电解HCl，实验装置如图所示。逐渐增加外加电压，由安培计G和伏特计V分别测定线路中的电流强度I和电压E，画出I-E曲线。2023/7/24外加电压很小时，几乎无电流通过，阴、阳极上无H2和Cl2放出。随着E的增大，电极表面产生少量氢气和氯气，但压力低于大气压，无法逸出。所产生的氢气和氯气构成了原电池，外加电压必须克服这反电动势，继续增加电压，I有少许增加，如图中1-2段。分解电压的测定2023/7/24当外压增至2-3段，氢气和氯气的压力等于大气压力，呈气泡逸出，反电动势达极大值Eb,max。再增加电压，使I迅速增加。将直线外延至I=0处，得E(分解)值，这是使电解池不断工作所必需外加的最小电压，称为分解电压。分解电压的测定2023/7/24实际分解电压要使电解池顺利地进行连续反应，除了克服作为原电池时的可逆电动势外，还要克服由于极化在阴、阳极上产生的超电势和，以及克服电池电阻所产生的电位降。这三者的加和就称为实际分解电压。分解电压的数值会随着通入电流强度的增加而增加。2023/7/242极化作用极化（polarization）当电极上无电流通过时，电极处于平衡状态，这时的电极电势分别称为阳极平衡电势E(阳,平)和阴极平衡电势E(阴,平)。 在有电流通过时，随着电极上电流密度的增加，电极实际分解电势值对平衡值的偏离也愈来愈大，这种对平衡电势的偏离称为电极的极化。2023/7/24极化的类型极化大致分为两类：浓差极化和电化学极化。(1)浓差极化

在电解过程中，电极附近某离子浓度由于电极反应而发生变化，本体溶液中离子扩散的速度又赶不上弥补这个变化，就导致电极附近溶液的浓度与本体溶液间有一个浓度梯度，这种浓度差别引起的电极电势的改变称为浓差极化。用搅拌和升温的方法可以减少浓差极化，但也可以利用滴汞电极上的浓差极化进行极谱分析。2023/7/24(2)电化学极化电极反应总是分若干步进行，若其中一步反应速率较慢，需要较高的活化能，为了使电极反应顺利进行所额外施加的电压称为电化学超电势（亦称为活化超电势），这种极化现象称为电化学极化。极化的类型2023/7/24超电势在某一电流密度下，实际发生电解的电极电势E(不可逆)与平衡电极电势之间的差值称为超电势。

阳极上由于超电势使电极电势变大，阴极上由于超电势使电极电势变小。2023/7/24为了使超电势都是正值，把阴极超电势η(阴)和阳极超电势η(阳)分别定义为：η(阴)=E(阴,平)-E(阴,不可逆)

η(阳)=E(阳,不可逆)-E(阳,平)E(阳,不可逆)=E(阳,平)+η(阳)E(阴,不可逆)=E(阴,平)-η(阴)超电势2023/7/24极化曲线（polarizationcurve）

超电势或电极电势与电流密度之间的关系曲线称为极化曲线，极化曲线的形状和变化规律反映了电化学过程的动力学特征。(1)电解池中两电极的极化曲线随着电流密度的增大，两电极上的超电势也增大，阳极析出电势变大，阴极析出电势变小，使外加的电压增加，额外消耗了电能。2023/7/24极化曲线（polarizationcurve）2023/7/24(2)原电池中两电极的极化曲线原电池中，负极是阳极，正极是阴极。随着电流密度的增加，阳极析出电势变大，阴极析出电势变小。由于极化，使原电池的作功能力下降。但可以利用这种极化降低金属的电化学腐蚀速度。极化曲线（polarizationcurve）2023/7/24极化曲线（polarizationcurve）2023/7/24氢超电势电解质溶液通常用水作溶剂，在电解过程中，在阴极会与金属离子竞争还原。

利用氢在电极上的超电势，可以使比氢活泼的金属先在阴极析出，这在电镀工业上是很重要的。例如，只有控制溶液的pH，利用氢气的析出有超电势，才使得镀Zn，Sn，Ni，Cr等工艺成为现实。2023/7/24氢气在几种电极上的超电势金属在电极上析出时超电势很小，通常可忽略不计。而气体，特别是氢气和氧气，超电势值较大。氢气在几种电极上的超电势如图所示。可见在石墨和汞等材料上，超电势很大，而在金属Pt，特别是镀了铂黑的铂电极上，超电势很小，所以标准氢电极中的铂电极要镀上铂黑。2023/7/24氢气在几种电极上的超电势2023/7/24Tafel公式早在1905年，Tafel发现，对于一些常见的电极反应，超电势与电流密度之间在一定范围内存在如下的定量关系：式中j

是电流密度,是单位电流密度时的超电势值，与电极材料、表面状态、溶液组成和温度等因素有关