第八章课件 Microsoft PowerPoint 演示文稿

第八章电化学甲醇燃料电池原理铅酸蓄电池模型锂离子电池8.1电化学的基本概念电化学是研究化学现象与电现象之间的相互关系以及化学能与电能相互转化规律的学科。8.1.1原电池和电解池将化学能转化为电能的装置称为原电池，将电能转化为化学能的装置称为电解池。8.1.1原电池和电解池原电池和电解池都由两个半电池组成。半电池用金属或石墨作电极，插入溶液。金属和石墨等由电子传导电流的导体称为电子导体，电子导体的电阻随温度升高而升高。溶液由离子传导电流称为离子导体。离子导体的电阻随温度的升高而降低。8.1.1原电池和电解池精炼和冶炼有色金属和稀有金属⒉电池⒊金属的防腐，材料保护，光电化学⒋生物电化学，电化学分析⒈电解电解法制备化工原料电镀法保护和美化金属金属氧化着色等电化学在国民经济中占有重要地位计算机、人造器官、清洁能源汽车、宇宙飞船、照明、通讯8.1.2正极、负极，阴极、阳极阳极：发生氧化反应的极。阴极：发生还原反应的极。原电池的负极、电解池的正极为阳极；原电池的正极、电解池的负极为阴极。8.1.3Faraday定律法拉第常数：每摩尔电子含有多少库仑电量。23-119-16.02210mol1.602210C96500CmolFLe英国科学家法拉第研究课题多样，有铁合金研究、电磁转动、气体液化、苯的发明、电磁感应现象、电化学分解、电介质、抗磁性等。1831年，发明了最原始的发电机。提出了光的电磁理论等8.1.4离子的电迁移率和迁移数离子在电场中迁移的速率与离子本性和电位梯度有关。电位梯度（电场强度）：每米距离上电势差。电位梯度越大，离子迁移速率越快。离子迁移速率ddddEErrll电迁移率（离子淌度）µ：单位电位梯度时离子的迁移速率，其数值与离子本性、溶剂、温度有关。如表8.1所示，无限稀水溶液中，氢离子在阳离子中电迁移率最大，氢氧根在阴离子中电迁移率最大。原因：它们靠质子传递（氢键）导电。在非水溶液中它们没有这方面优势。8.1.4离子的电迁移率和迁移数BBBIQtIQ正、负离子所带的电荷数不同，移动的速率不同，因此它们运载电流的分数也不同。离子B的迁移数：B运载电流的分数。离子速率与迁移电量的关系的电迁移率很接近3K,Cl,NO常用来制备盐桥3KCl,KNO8.1.4离子的电迁移率和迁移数()QzcrAF()QzcrAFAAlrrEFGH阳离子运载的电量阴离子运载的电量总运电量()()QQQzcrAFzcrAF溶液总是电中性的zczc()QzcrrAF()zcrrAFQrQrrQrQrr8.1.4离子的电迁移率和迁移数ItIQQrrruuu离子的电迁移速率和迁移数可以用界面移动法等实验测量。IQrutIQrruu8.1.4离子的电迁移率和迁移数8.1.4离子的电迁移率和迁移数例：玻璃管截面积为1.0×10-5m2，HCl的浓度为10.0mol·m-3,通入0.01A的电流，历时200s后，界面从b移动到a，移动了0.17m，求H+的迁移数。CaCl2HClb+-a解：ab区间内的氢离子均通过界面a上移，该区间体积为V，有++++HHHH5110.00.171.010965000.820.01200QzcVFtQIt8.2电导及其应用（1）电导G和电导率k1GR1S电导单位为或8.2.1电导、电导率和摩尔电导率AGl比例系数称为电导率意义：单位长度、单位截面积电解质溶液的电导。即，面积为1m2的2个极板，相距1m，其间充满某溶液，这时的电导，即为该溶液的导电率k。A1m8.2电导及其应用（2）溶液导电率的测定传统方法：配制已知浓度的KCl溶液，查出k，用电导池测出G，求出电导池常数。再用该电导池测出待测溶液的G，求出k。现代方法：用数字式导电率仪直接测k。k随浓度变化，不能反映溶质的导电性。（3）摩尔导电率ΛmmmdefVcΛc的单位：mol·m-3Λm的意义：在A=1m2,l=1m的两极间，放置含有1摩尔某电解质的溶液，其间的电导称为Λm。8.2电导及其应用摩尔电导率反映了电解质的导电能力。Λm的两类表示方法：Λm（K2SO4）=0.02485S·m2·mol-2-1m241(KSO)=0.01243Smmol2m24m241(KSO)=2(KSO)28.2.2k、Λm与浓度c的关系H2SO4KOHKClHAcc/(mol·dm-3)k/(S·m-1)mcHClH2SO4HAc电导率与浓度关系示意图摩尔电导率与浓度的关系KCl8.2.2k、Λm与浓度c的关系离子独立移动定律mm,m,+2-m24mm4(NaSO)2(Na)(SO)+-mmmmmm(HAc)(H)(Ac)(HCl)(NaAc)(NaCl)例：这样，弱电解质的可以通过强电解质的或从表值上查离子的求得。mΛmΛm,+m,,ΛΛ1-1型或2-2型电解质，在无限稀溶液中m,+mtΛΛm,mtΛΛ浓度不大的强电解质溶液,忽略离子间引力有m,+mtΛΛm,mtΛΛItIQQrrruuum,+mΛΛ一些物理量之间的关系ItIQQrrruuum,-mΛΛ迁移数和物质的摩尔电导率可由实验测出，故可用上式求离子的摩尔电导率。请看296页例8.1。8.2.2k、Λm与浓度c的关系电解质溶液导电性知识脉络动态Gmmrtt宏观微观m,m,,8.2.3电导率测定的应用（1）检验水的纯度和海水含盐量纯水按氢离子和氢氧根无限稀处理电导率理论值的计算+-2332-1m,HOm,Hm,OH34.961019.91105.510Smmol22246-1HOHO5.5101105.510Smkc测定海水的电导率，减去水的电导率，即为盐的电导率，进而求出盐的浓度。7-34-3110moldm110molmc8.2.3电导率测定的应用（2）计算弱电解质的解离度和解离常数+ABAB00(1)cccccc起平测出弱电解质溶液的电导率k液和水的电导率k水kkk液水mmm,kc2'1cK请看298页例8.28.2.3电导率测定的应用（3）测定难溶盐的溶解度和溶度积设难溶盐解离平衡+AB(s)ABccc平：电导率kkk盐液水查表得离子的无限稀摩尔电导率m+m-m，，，盐溶液浓度很稀m,m,盐盐m,m,kkc盐盐盐盐8.2.3电导率测定的应用这样求出的c，单位是mol·m-3，换算成mol·L-1即可，溶解度可用mol·L-1表示，不用继续换算。也可换算我们熟悉的表示方法。2spKc(4)电导滴定用NaOH标准溶液滴定HCl3(NaOH)/cmV1Sm终点HClNaOH电导率仪8.2.3电导率测定的应用(2)用NaOH标准溶液滴定HAc3(NaOH)/cmV1Sm终点HAc电导率仪NaOH8.2.3电导率测定的应用(3)用BaCl2标准溶液滴定Tl2SO432(BaCl)/cmV1Sm终点Tl2SO4BaCl2电导率仪8.2.3电导率测定的应用强电解质B的分子式+MA+++()lnTRTa+++MAMAzz()lnTRTa从离子角度看B的化学势:分子B化学势和离子化学势的关系推导如下：离子的化学势B+B()ln()+ln()RTaaRTaa8.3强电解质溶液理论简介8.3强电解质溶液理论简介从分子角度看B的化学势BBB+lnRTa综合离子角度和分子角度Baaa+令Baaaa''1............................1............................2...3(.)'abababb（）（）（）111......(4).....(5)()().()....(6)aaabbb8.3强电解质溶液理论简介11'1212()0.524(12)0.10.083abb11123()0.524(0.10.2)0.083abbb34B5.710aa解：法一法二0.524aBa例：在0.1mol·kg-1的CaCl2溶液中，求离子平均活度和电解质活度。。8.2.3电导率测定的应用例：已知硫酸的浓度为0.1mol·kg-1,0.625,求平均浓度和平均活度。8.3强电解质溶液理论简介11213()(0.20.1)0.1587bbb0.2650.15870.0421ab解：8.3强电解质溶液理论简介8.3.2的计算（1）离子强度的计算1921年路易斯提出了提出了离子强度的概念2BBB12Imz离子强度与质量摩尔浓度具有相同的单位请看303页例8.3。（2）的求出—德拜-休克尔极限公式对于极稀的强电解质溶液一般离子可按点电荷处理，公式为lg||AzzIA=0.509ln||AzzIA=1.172德拜-休克极限公式的计算值与实验值比较符合。参看305页表8.3。请看305页例8.4。较大离子不能按点电荷处理，公式为||lg1AzzIIm（一般不用）8.4可逆电池和可逆电极2()Zn(s)Zn(aq)2e8.4.1组成可逆电池的必要条件及其研究的意义组成可逆电池的必要条件是1.化学反应可逆充、放电反应必须互为逆反应如丹尼尔电池（双液）放电反应2+()Cu(aq)2eCu(s)电池反应2+2+Zn(s)Cu(aq)Zn(aq)Cu(s)负极负载电阻正极ZnZnSO4溶液CuCuSO4溶液-e-e-e2+Zn2+Cu2-4SO2-4SO阳极极阴充电反应2+2+Zn(aq)Cu(s)Zn(s)Cu(aq)2()Zn(aq)2eZn(s)2+()Cu(s)Cu(aq)2e电池反应负极正极ZnSO4溶液CuSO4溶液2+Zn2+CuZnCu阴极阳极8.4可逆电池和可逆电极8.4可逆电池和可逆电极2+2+Zn(s)Cu(aq)Zn(aq)Cu(s)充放电反应比较放电充电2+2+Zn(aq)Cu(s)Zn(s)Cu(aq)充放电反应互为逆反应严格来说，这个电池仍有不可逆之处，放电时从界面过去的是锌离子，充电时从界面过来的是铜离子。若将界面改为盐桥，就可逆了。8.4可逆电池和可逆电极2--44()Pb+SOPbSO+2e-+2-2442()PbO+2e+4H+SOPbSO+2HO铅蓄电池放电反应-2-44()PbSO+2ePb+SO2--442244()PbSO+SO+2HOPbO+2HSO+2e充电反应Pb+PbO2+2H2SO4放电充电2PbSO4+2H2O8.4可逆电池和可逆电极2.反应无限慢等温等压条件下，吉布斯函数变等于可逆过程的非体积功（电功）。rmGzEF8.4.2电极类型（1）金属离子与金属电极Mz+︱MCu2+︱Cu、Fe2+︱Fe、Al3+︱Al（2）非金属单质与其离子电极Pt︱X2︱Xz-Pt︱H2︱H+、Pt︱O2︱OH-8.4可逆电池和可逆电极(3）