第7章电化学

2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！1/94物理化学化学学院周建敏[e-mail]祝大家学习愉快，天天进步！主讲：联系电话:短号：69779办电：2923571长号：13500079779QQ:530018104电子邮箱:2新作业第六章作业：1、2、3、9、11、19练习：7、17、20、21、22第七章作业：5、11、14、25、26、28、29练习：1、7、13、16、19、24、27第十章作业：2、4、9、10、14、17练习：5、7、15第十一章作业：1、6、11、22、25、29、32、34、46练习：2、3、8、21、26、27、45第十二章作业：9、10、13、15练习：5、11、12、172020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！3/94物理化学下册的内容第七章电化学第十章界面现象第十一章化学动力学第十二章胶体化学2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！4/94物理化学电子教案—第七章电能化学能电解电池2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！5/94第七章电化学电化学的应用：自从伏打（AlessandroVolta,1745～1827）意大利物理学家发明电池后，“电”的应用就。2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！6/94第七章电化学电化学是一门既古老又年轻的科学，从1800年伏特(Volta)制成第一个化学电池开始，到今天，电化学已发展成为包含内容非常广泛的学科领域，如化学电源，生物电化学、电解、电镀、腐蚀与保护等等都属于电化学的范畴。尤其是近年来可充电锂离子电池的普及生产使用、燃料电池在发电及汽车工业领域的应用研究开发，以及生物电化学的迅速发展，都为电化学这一古老的学科注入了新的活力。越来越多地与其它自然科学或技术学科相互交叉、相互渗透。在能源、交通、材料、环保、信息、生命等众多领域发挥着重要的作用。2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！7/94基础理论与新能源•银锌电池轻而小，又适于大功率放电•全钒电池理想清洁的绿色能源。我国钒资源丰富，是值得研究发展的一个方向，2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！8/94基础理论与新能源•锂电池•锂是诸金属中具有质量轻、Li／Li+电极标准电极电势最负，导电性和机械性能良好等优点，自20世纪80年代以来是研究的热点之一成为最有竞争力的高能电池之一。2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！9/94基础理论与新能源•燃料电池是十分清洁的发电装置，重要的发电手段服务于人类。2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！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。第七章电化学1.利用化学反应来产生电能将能够自发进行的化学反应放在原电池装置中使化学能转化为电能；2.利用电能来驱动化学反应将不能自发进行的反应放在电解池装置中输入电流使反应得以进行。重点是原电池和电解池工作原理与热力学性质，分为以下两个部分：2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！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生物电化学电化学的应用：第七章电化学2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！12/94电解精炼铜第七章电化学氯碱工业：工业上用电解饱和食盐水的方法制备氯222222NaClHONaOHHCl电解阴极阳极2222eHClCle+阴极2H阳极2=2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！13/94第七章电化学例如：铁件上镀锌(1)原理：应用电解原理在某些金属表面镀上一层其他金属或合金的过程.(2)镀层金属：通常是在空气或溶液中不易起变化的金属，如Cr、Zn、Ag、Cu等.(3)阴极：待镀件（电极不反应）阳极：镀层金属（电极被氧化）(4)电镀液：含有镀层金属的离子电镀阳极（Zn）Zn－2e＝Zn2＋阴极（Fe）Zn2＋＋2e＝Zn2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！内容：化学能→电能TPΔrGm0TPΔrGm0电化学分成三个部分:电解质溶液电池极化电能→化学能实现上述转化的介质→电解质溶液§7.1电极过程、电解质溶液及法拉第定律原电池电解池1.电解池和原电池2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！15/94原电池电解池§7.1电极过程、电解质溶液及法拉第定律2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！§7.1电极过程、电解质溶液及法拉第定律氧化阳极电势高正极还原阴极电势低负极电化学中关于电极的规定：2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！与外电源正极相接，是发生氧化反应，是电极②：与外电源负极相接电势低，是发生还原反应，是电极①：负极。阴极。正极。阳极。§7.1电极过程、电解质溶液及法拉第定律以电解池为例（两铜棒插入CuSO4）①②电解池：阳极即正极阴极即负极Cu2++2e-→Cu(S)Cu(S)→Cu2++2e-结论2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！发生还原反应，Cu极电势高，电极②：发生氧化反应，Zn极电势低，电极①：以原电池为例Zn插入Zn2SO4溶液,Cu插入Cu2SO4溶液）①②是阳极。是负极。是阴极。是正极。§7.1电极过程、电解质溶液及法拉第定律Zn(s)→Zn2++2e-Cu2++2e-→Cu(S)结论原电池：（负极即阳极，正极即阴极）2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！19/94§7.1电极过程、电解质溶液及法拉第定律原电池:（负极即阳极，正极即阴极）电解池:（负极即阴极，正极即阳极）电极反应：极板与溶液界面上进行的化学反应总反应：两个电极反应之和电池反应原电池；电解反应电解池2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！2、电解质溶液和法拉第定律§7.1电极过程、电解质溶液及法拉第定律电解质溶液是原电池及电解池的工作介质电子导体：电子作定向运动(金属、石墨等)，通电时无化学反应；温度升高，电阻也升高离子导体：离子作定向运动(电解质溶液等)，通电时有电极反应；温度升高，电阻下降导体电极反应:电极上进行的得失电子的反应2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！§7.1电极过程、电解质溶液及法拉第定律以电解CuCl2水溶液为例正极（阳极）2Cl-→Cl2+2e-氧化负极（阴极）Cu2++2e-→Cu还原电池反应Cu2++2Cl-→Cu+Cl2电解质溶液的导电机理：离子的定向迁移及电极反应2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！§7.1电极过程、电解质溶液及法拉第定律(MichaelFaraday,1791—1867)英国、化学家1833年英国科学家法拉第(FaradayM)在研究了大量电解过程后提出了著名的法拉第电解定律法拉第电解定律电解时电极上发生化学反应的量与通过电解池的电量成正比。2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！§7.1电极过程、电解质溶液及法拉第定律氧化态+ze-→还原态还原态→氧化态+ze-电极反应的通式通过1mol电子电量时，任一电极上发生得失1mol电子的电极反应。电极上析出或溶解的物质的量与之相应。当电极反应的电荷数为Z，反应进度为ξ时，1mol电子电量=L×e=6.023×1023(mol-1)×1.602×10－19(库仑，C)=96485C·mol-1＝96500C·mol-1=1F2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！§7.1电极过程、电解质溶液及法拉第定律通过电极的电量正比于电极反应的反应进度与电极反应电荷数的乘积，比例系数为法拉第常数。QzFξ法拉第定律数学表达式Q通过电极的电量z电极反应的电荷数(即转移电子数),取正值。电极反应的反应进度，=nB/BF法拉第常数;F=Le=96485.309C/mol2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！§7.1电极过程、电解质溶液及法拉第定律⑴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。⑵当以相同的电量分别通过含有不同电解质溶液的电解池时，各电极上发生化学变化的物质的得失电子数是相同的。例：电解AgNO3:1F电量通过，析出Ag;1mol电解CuSO4:1F电量通过，析出Cu。0.5molAgAg+-+e=CuCu2+-+2e=2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！26/94§7.1电极过程、电解质溶液及法拉第定律Bnξ=QzFξItBBnzFItBmBnMBBn=zF求电极上发生化学反应的物质的量2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！27/94§7.1电极过程、电解质溶液及法拉第定律1.该定律不受T、P、电解质浓度、电极材料的影响，是自然科学中最准确定律之一。2.对电解池和原电池均适用。3.法拉第定律可解释电量计原理。法拉第定律的意义常用的库仑计：银库仑计：Ag/AgNO3；铜库仑计：Cu/CuSO42020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！28/94在电路中串联有两个库仑计，一个是银库仑计，一个是铜库仑计。当有1F的电量通过电路时，问两个库仑计上分别析出多少摩尔的银和铜？例7.1.1AgAg+-+e=解：1molQzF96500＝＝196500Bnξ=Bn=ξ=11=1mol0.5molQzF96500＝＝296500Bn=ξ=0.51=0.5molCuCu2+-+2e=2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！§7.2离子的迁移数1.离子的电迁移与迁移数的定义电迀移：离子在电场作用下的运动称为下面以1-1型电解质为例,讨论离子的电迀移现象.设想在两个惰性电极之间有想象的两个平面，将溶液分为阳极区、中间区及阴极区三个部分。通电前(a):各区均含有6mol阴(-)、阳离子(+)，通电4F电量:电极反应(b)：阴,阳极分别发生4mol电子还原及氧化反应2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！30/94§7.2离子的迁移数2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！§7.2离子的迁移数在导线中电荷量由电子传递；在溶液中电荷量由离子传递：总电荷量＝正离子传递的电荷量＋负离子传递的电荷量即：Q＝Q＋＋Q－或：I＝I＋＋I－QQII33，+-+-\==溶液中(c)：若υ+=3υ-在假想的AA、BB平面上有3mol阳离子和1mol阴离子逆向通过。离子迁出相应电极区物质量的不同，阳离子迁出阳极区的量为3mol，阴离子迁出阴极区的量为1mol。阴极区电解质物质的量减少1mol，阳极区电解质物质的量减少3mol，中间区电解质物质的量维持不变。2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！32/94§7.2离子的迁移数离子迁移数：离子B所运载的电流占总电流的分数（以t表示，其量纲为一）若溶液中只有一种阳离子和一种阴离子，它们的迁移数分别以t+和t表示，有:显然1tt+-+=对于含有多种离子的电解质溶液则有：B1t=åItII+++-=+ItII--+-=+（1）2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！33/94§7.2离子的迁移数IQtIIQQIQtIIQQ阳离子迁出阳极区物质的量发生电极反应的物质的量阴离子迁出阴极区物质的量发生电极反应的物质的量t+、t–只与离子的运动速度有关，与离子的价数及浓度无关但实际上凡能影响离子运动速度的因素均有可能影响迁移数，如：离子本性、溶剂性质、温度、浓度、及电场强度等。2020/5/12祝大家学习愉快，天天进步！34/94§7.2离子的迁移数uB--电迁移率,电场强度E=1V/m时离子B的运动速度当外电场稳定时，离子B的运动速度正比于电场强度：离子的运动速度与电场强度有关BBvuE=BB/uvE=++++?++-+-+-+-====++++IQvutIIQQvvuu应当指出：电场强度虽影响离子运动速度，但并不影响离子的电迁移率和离子迀移数，因当电位梯度改变时正负离子的速