第4章电化学原理及应用(讲授5学时) Chapter 4 electrochemistry 本章教学内容 原电池与电极电势。能斯特方程式的应用。E与△Gm的关系。氧化还原反 应方向的判断。用△G"m,E与K"估计氧化还原反应进行的程度。化学电源, 蓄电池、新型燃料电池、髙能电池、电解、电镀、电抛光、电解加工,金属的 腐蚀及防护。 本章教学要求 (1)了解电极电势的概念,能用能斯特方程式进行有关计算 (2)能应用电极电势的数据判断氧化剂还原剂的相对强弱及氧化还原反应自发 进行的方向和程度。了解摩尔吉布斯焓变与原电池电动势,标准摩尔吉布斯 自由能变与氧化还原反应平衡常数的关系 (3)了解电解、电镀、电抛光的基本原理,了解它们在工程上的应用。 (4)了解金属腐蚀及防护原理. 本章教学重点: a)原电池的组成、半反应式以及电极类型; b)电极电势的概念,能斯特方程式及电极电势的应用 c)电解基本原理及应用,电镀、电抛光、电解加工 d)金属腐蚀及防护原理。 本章习题:Po1,2,5,6,7,9,10
24 第 4 章 电化学原理及应用（讲授 5 学时） Chapter 4 Electrochemistry 本章教学内容: 原电池与电极电势。能斯特方程式的应用。E 与△rGm 的关系。氧化还原反 应方向的判断。用△rG θ m，E θ与 K θ估计氧化还原反应进行的程度。化学电源， 蓄电池、新型燃料电池、高能电池、电解、电镀、电抛光、电解加工，金属的 腐蚀及防护。 本章教学要求: (1) 了解电极电势的概念，能用能斯特方程式进行有关计算 (2) 能应用电极电势的数据判断氧化剂还原剂的相对强弱及氧化还原反应自发 进行的方向和程度。了解摩尔吉布斯焓变与原电池电动势，标准摩尔吉布斯 自由能变与氧化还原反应平衡常数的关系。 (3) 了解电解、电镀、电抛光的基本原理,了解它们在工程上的应用。 (4) 了解金属腐蚀及防护原理. 本章教学重点： a) 原电池的组成、半反应式以及电极类型； b) 电极电势的概念，能斯特方程式及电极电势的应用； c) 电解基本原理及应用，电镀、电抛光、电解加工； d) 金属腐蚀及防护原理。 本章习题: P97 1, 2, 5, 6, 7, 9, 10
概述 电化学反应可分为两类: (1)利用自发氧化还原反应产生电流(原电池),反应△G<0, 体系对外做功。 (2)利用电能促使非自发氧化还原反应发生(电解),反应△G>0, 环境对体系做功 4.1原电池( Electrochemical cel 任何自发进行的氧化还原( oxidation-reduction)反应,只要设计适当,都可以设 计成原电池用以产生电流。 4.1.1原电池的结构与工作原理 Zn(s)+Cu (aq)=Zn2(aq)+Cu(s) 结构图:Ps图4-1 负极Zn(s)→Zn2+aq)+2e( Oxidation) 正极Cu2+aq+e→Cu(s) (Reduction) 总反应:Zn(s)+Cu2t(aq)→Zn2(aq)+Cu(s) 原电池的符号(图式)( cell diagram)表示:如铜-锌原电池, Zn I ZnSO(cI)!i CuSO(c2)I Cu 规定(1)负极( anode)在左边,正极( Cathode)在右边,按实际顺序从左至右依次 排列出各个相的组成及相态;
25 概述 电化学反应可分为两类： （1） 利用自发氧化还原反应产生电流（原电池），反应△G＜0， 体系对外做功。 （2）利用电能促使非自发氧化还原反应发生（电解），反应△G＞0， 环境对体系做功。 4.1 原电池（Electrochemical cell） 任何自发进行的氧化还原(oxidation-reduction)反应，只要设计适当，都可以设 计成原电池用以产生电流。 4.1.1 原电池的结构与工作原理 Zn(s)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s) 结构图：P75 图 4-1 负极 Zn(s)→Zn2+(aq)+2e- (Oxidation) 正极 Cu2+(aq)+2e-→Cu(s) (Reduction) 总反应： Zn(s)+ Cu2+(aq) →Zn2+(aq)+ Cu(s) 原电池的符号（图式）(cell diagram)表示:如铜-锌原电池, : Zn∣ZnSO4(c1)┊┊CuSO4(c2)∣Cu 规定(1)负极(anode)在左边，正极(Cathode)在右边，按实际顺序从左至右依次 排列出各个相的组成及相态;
(2)用单实竖线表示相界面,用双虚竖线表示盐桥; (3)溶液注明浓度,气体注明分压 (4)若溶液中含有两种离子参加电极反应,可用逗号隔开,并加上惰性电极. 4.12电极类型 按氧化态、还原态物质的状态分类: ·第一类,金属、或吸附了气体的惰性金属放在含该元素离子的溶液中 ·第二类,金属难溶盐(难溶氧化物) ·第三类,电极为惰性材料,运输电子。 4.2电极电势 42.1双电层理论 原电池能够产生电流说明在电池的两个电极之间有电势差,构成原电池的 两个电极各自具有不同的电势 M(s)ZeM+(aq) 在金属表面与附近溶液间形成双电层,产生电势差。 每一个电极的电势称为电极电势。 422电极电势的测量 电极电势是强度性质。同时丕能测定电极电势的绝对值,只能用电位差计测 出两电极电势的差值
26 (2)用单实竖线 表示相界面,用双虚竖线 表示盐桥; (3)溶液注明浓度，气体注明分压; (4)若溶液中含有两种离子参加电极反应,可用逗号隔开，并加上惰性电极. 4.1.2 电极类型 按氧化态、还原态物质的状态分类： ·第一类，金属、或吸附了气体的惰性金属放在含该元素离子的溶液中 ·第二类，金属难溶盐（难溶氧化物） ·第三类，电极为惰性材料，运输电子。 4.2 电极电势 4.2.1 双电层理论 原电池能够产生电流说明在电池的两个电极之间有电势差，构成原电池的 两个电极各自具有不同的电势。 M(s)—Ze- ⇋ MZ+（aq） 在金属表面与附近溶液间形成双电层，产生电势差。 每一个电极的电势称为电极电势。 4.2.2 电极电势的测量 ·电极电势是强度性质。同时不能测定电极电势的绝对值，只能用电位差计测 出两电极电势的差值
通常选择标准氢电极作为比较的标准,规定标准氢电极电势为零。 标准氢电极的组成如图43:将镀有铂黑的铂片浸入[H+}=1M的溶液中,通入 压力为100kPa的纯氢气流,使氢气冲打铂片并建立平衡: 2H+(aq)+2eH2(g) 标准氢电极表示为:H+(1mol.dm3)|H2(100kPa)|Pt 并规定,标准氢电极电势恒为零。记为 E"(H/H2)=0 测定其他电极的标准电极电势时,可将标准态的待测电极与标准氢电极组成原 电池,测定原电池的电动势,即可确定电极的标准电极电势E°(电极) EO=EO(正)EO(负) 由于氢标准电极携带不便,常用饱和甘汞电极来代替。饱和甘汞电极由糊状的 Hg2C2和KCl饱和溶液组成.。表示为C(饱和)Hg2C2(s)Hg 电极反应Hg2C(s)+2e台→2Hg+2Cr 29815K Hf E Hg2 CI(s)Hg)=0.2410V 附表11查标准电极电势 附表中的负号表示半反应右边的物质容易失去电子,半反应容易从右到左进行 负值越大,反应从右到左进行的倾向越大。正号表示半反应左边的物质容易得 到电子,半反应容易从左到右进行,正值越大,反应越容易从左到右进行。 4.2.3电极电势的影响因素 (1) Nernst方程式 非标准状态下的电极电势不仅与电极自身的组成有关,还与所处的条件有 关(温度,浓度,pH值等) 电极反应通式:O+ze分R 热力学研究表明非标准态下的电极电势为
27 通常选择标准氢电极作为比较的标准，规定标准氢电极电势为零。 标准氢电极的组成如图 4-3：将镀有铂黑的铂片浸入[H+]=1M 的溶液中，通入 压力为 100kPa 的纯氢气流，使氢气冲打铂片并建立平衡： 2H+（aq）+2e- H2（g） 标准氢电极表示为：H+(1mol.dm-3 )│H2(100kPa)│Pt 并规定，标准氢电极电势恒为零。记为; ( / ) E H H2 + =0V 测定其他电极的标准电极电势时，可将标准态的待测电极与标准氢电极组成原 电池，测定原电池的电动势，即可确定电极的标准电极电势 E （电极） E = E (正)- E (负) 由于氢标准电极携带不便，常用饱和甘汞电极来代替。饱和甘汞电极由糊状的 Hg2Cl2 和 KCl 饱和溶液组成.。表示为 Cl- (饱和)׀ Hg2Cl2(s) ׀Hg 电极反应: Hg2Cl2(s)+2e- 2Hg+2Cl- 298.15K 时 E{ Hg2Cl2(s)/Hg }=0.2410V 附表 11 查标准电极电势 附表中的负号表示半反应右边的物质容易失去电子,半反应容易从右到左进行, 负值越大，反应从右到左进行的倾向越大。正号表示半反应左边的物质容易得 到电子,半反应容易从左到右进行，正值越大，反应越容易从左到右进行。 4.2.3 电极电势的影响因素 （1）Nernst 方程式 非标准状态下的电极电势不仅与电极自身的组成有关，还与所处的条件有 关(温度，浓度, pH 值等). 电极反应通式： O+ze- R 热力学研究表明,非标准态下的电极电势为:
RT, O)/ E( (4.1) c(R)/ R=8.315Jmo1K1; TK;z电极反应中电子的化学计量数;F=96485 C mol-l E=E°-hQ 简化式 E(电极=E°(电极 00592c(O/lc° R)/ (2) Nernst方程式讨论: 1)c(O)—一氧化态一侧各物质浓度的乘积 c(R)一还原态一侧各物质浓度的乘积 2)固体、纯液体(H2O)不列入方程式中 3)改变物质的浓度可以改变电极电势的大小 ●电极物质自身浓度发生变化 溶液的酸度发生变化 生成沉淀使电极物质浓度发生变化 生成配合物使电极物质浓度发生变化 P8例4-3 可见:含氧酸及含氧酸盐的电极电势极大地受酸度的影响。 若物质处于非标准态,应用 Nernst方程进行计算后判断。 424电动势E与AG的关系 在等温等压下,吉布斯自由能的减小(-△G)等于原电池可做的最大功Wmax -△G=Wmax=QE=z5FE E
28 E(electrode)= E (electrode)+ c R c c O c zF RT ( )/ ( )/ ln (4.1) R=8.315J.mol-1 .K-1 ; T-K; z-电极反应中电子的化学计量数; F=96485C.mol-1 E=E - Q zF RT ln 简化式: E(电极)= E (电极)+ c R c c O c z ( )/ ( )/ lg 0.0592 (4.2) （2） Nernst 方程式讨论： 1）c(O)——氧化态一侧各物质浓度的乘积 c(R )——还原态一侧各物质浓度的乘积 2）固体、纯液体（H2O）不列入方程式中 3）改变物质的浓度可以改变电极电势的大小 ⚫ 电极物质自身浓度发生变化 ⚫ 溶液的酸度发生变化 ⚫ 生成沉淀使电极物质浓度发生变化 ⚫ 生成配合物使电极物质浓度发生变化 P81 例 4-3 可见：含氧酸及含氧酸盐的电极电势极大地受酸度的影响。 若物质处于非标准态,应用 Nernst 方程进行计算后判断。 4.2.4 电动势 E 与 G 的关系 在等温等压下，吉布斯自由能的减小(-rG )等于原电池可做的最大功 Wmax. -rG = Wmax=QE=z FE (4.3) 即: rGm = −zFE (4.4)