电化学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、第七章第七章 电化学电化学电化学已发展成为内容非常广泛学科领域内容非常广泛学科领域:化学电源、电化学分析、电化学合成、光电化学、生物电化学、电催化、电冶金、电解、电镀、腐蚀与保护等都属于电化学范围。在能源、交通、材料、信息、环境保护、生命科学等众多领域发挥着主要作用。用热力学方法热力学方法来研究化学能与电能之间相互转化学能与电能之间相互转换规律换规律.电化学主要介绍电化学基础理论部分:电化学基础理论部分:第1页(1)(1)利用化学反应来产生电能利用化学反应来产生电能:将能够自发进行化学反应 放在原电池装置中使化学能转化为电能;原电池原电池 (7.5 7.5 7.97.9)重点是原电池原电池和电
2、解池电解池工作原理与热力学性质,分为以下三个部分:(2)(2)利用电能来驱动化学反应利用电能来驱动化学反应:将不能自发进行化学反应 放在电解池装置中输入电流使反应得以进行。电解和极化电解和极化 (7.10 7.10 7.127.12)(3)(3)电解质溶液基本性质和导电性质电解质溶液基本性质和导电性质:不论是原电池还是 电解池,其内部工作介质都离不开电解质溶液。电解质溶液电解质溶液 (7.1 7.1 7.47.4)第2页7.1 电极过程、电解质溶液及法拉第定律 1.1.电解池和原电池电解池和原电池:但如将逆反应放入如图所表示装置内,通电后,逆反应可进行25,101.325 kPa下:G=237
3、.129 kJmol1 (高价型)路易斯总结出 -I 关系为I 离子强度。离子强度定义bB 溶液中B种离子质量摩尔浓度;zB 溶液中B种离子离子电荷数.第30页(1)(1)离子氛离子氛离子氛特点:正离子周围,负离子出现机会多,反之亦然,但 溶液整体为电中性;每个离子既是中心离子,又是离子氛中一员;从统计平均看,离子氛是球形对称;离子氛不固定,是瞬息万变。+离子氛示意图:3.3.德拜德拜休克尔极限公式休克尔极限公式 强电解质在溶液中全部解离;离子间相互作用主要是库仑力;每一个离子都处于异号电荷所形 成离子氛包围中。1923年,德拜 休克尔(Debye-Hckel)提出了强电解质理论,强电解质理论
4、,该理论几点假设为:第31页(2)(2)德拜德拜休克尔极限休克尔极限公式公式稀溶液中单个离子活度系数公式:平均离子活度系数公式:在298.15 K水溶液中:A=0.509(mol-1.kg)1/2德拜休克尔极限公式试验验证:德拜休克尔极限公式只适合用于 强电解质稀溶液;不一样价型电解质:(低价型)(高价型);相同价型电解质:只与I相关,与离子性质无关。第32页原电池是利用电极上氧化还原反应自发将化学能转化为电能装置。自发反应原电池装置电能7.5 可逆电池及其电动势测定效率:电池效率不受热机效率限制。恒温、恒压下反应G即为理论上电池能将化学能转化为电能那部分能量依据热力学原理可知,恒T,p时:1
5、 mol 化学反应 可放热 Qm=rHm,如在电池中自发进行,则电池对外所能做最大功:第33页比如:反应=82.96%,远远好于普通热机 不过实际上因为各种原因影响,电池效率往往并不能到达其理论值,所以研究电池性质,改进电池设计,不停制造出效率高、成本低新型电池,正是推进电化学研究不停深入不竭动力。物理化学中我们主要介绍电池在理想状态,也就是可逆条件下工作原理和基本热力学性质。在25,100 kPa下:=285.830 kJmol-1,=237.129 kJmol-1 第34页电池可逆包含三方面含义:(1)化学可逆性 即物质可逆。要求两个电极在充电时均可严格按放电时 电极反应式逆向进行。(2)
6、热力学可逆性 即能量可逆。要求电池在无限靠近平衡状态下工作。要满足能 量可逆要求,电池必须在电流趋于无限小,即I0状态下工作。1.1.可逆电池可逆电池不含有化学可逆性电池不可能含有热力学可逆性,而含有化学可逆性电池却不一定以热力学可逆方式工作,如可充电电池实际充放电过程,均不是在I0状态下进行。第35页以实际电池为例:(1)丹聂尔电池 即Cu-Zn电池 阳极:Zn Zn2+2e-阴极:Cu2+2e-Cu 电池反应:Zn+Cu2+Zn2+Cu电池表示:Zn|ZnSO4(a1)CuSO4(a2)|Cu(3)实际可逆性 即没有由液接电势等原因引发实际过程不可逆性。严格说来,由两个不一样电解质溶液组成
7、含有液体接界电池,都是热力学不可逆,因为在液体接界处存在不可逆离子扩 散。不过在一定精度范围内,人们为研 究方便往往会忽略一些 较小不可逆性。第36页丹聂尔电池电极反应含有可逆性,在 I 0且不考虑液体接界处扩散过程不可逆性时,可作为可逆电池处理。IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry)要求电池表示法:阳极写在左边;阴极写在右边;阳极写在左边;阴极写在右边;有界面用有界面用“|”表示,液相接界时用表示,液相接界时用“”表示,表示,加盐桥用加盐桥用“|”表示表示(能够是实线,也能够是虚线能够是实线,也能够是虚线);同一相中物
8、质用逗号隔开。同一相中物质用逗号隔开。原电池电动势:(I 0)第37页不是任何电池都含有化学可逆性,比如将Zn、Cu直接放入H2SO4中,放电时:Zn片:Zn Zn2+2eCu片:2H+2e H2 Zn+2H+Zn2+H2充电时:Zn片:2H+2e H2Cu片:Cu Cu2+2e 2H+Cu H2+Cu2+在电池充、放电过程中,电极、电池反应均不一样,故不是可逆电极。ZnH2SO4Cu第38页(2)韦斯顿(Weston)标准电池韦斯顿标准电池是高度可逆电池高度可逆电池阳极:Cd+SO42+(8/3)H2O(l)CdSO4.(8/3)H2O(s)+2e阴极:Hg2SO4(s)+2e 2Hg(l)
9、+SO42电池反应:Cd+Hg2SO4(s)+(8/3)H2O(l)2Hg(l)+CdSO4.(8/3)H2O(s)优点:电动势稳定,随温度改变很小优点:电动势稳定,随温度改变很小用途:配合电位计测定原电池电动势用途:配合电位计测定原电池电动势电池图示表示:Cd(汞齐)|CdSO4.(8/3)H2O(s)|CdSO4饱和溶液|Hg2SO4(s)|Hg(电极反应可逆,没有液接电势,所以在I0时是高度可逆电池)第39页2.2.电池电动势测定电池电动势测定电池电动势测定必须在电流无限靠近于零条件下进行。波根多夫(Poggendorff)对消法:三个电池:工作电池 标准电池 待测电池 一个检流计 一个
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