电解与极化作用
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第九章 电解与极化作用前边讨论的电池与电极都是可逆的,那么应用能斯特公式来处理电化学体系时,它的前提就是该体系必须是处于热力学平衡态,但是对于一些现实的电化学过程来说一般都是不可逆过程,因此应用Nernst 公式研究电化学问题就具有很大的局限性。
事实上当原电池或电解池,只要有电流通过,就有极化作用发生,该过程就是不可逆过程。
研究不可逆电极反应及其规律性对电化学工业是十分重要的,所以我们要讨论不可逆电极过程。
在这一部分除了讨论电解池中的极化作用外,还要简单介绍一些电解在工业上的应用上及金属的防腐和化学电源等。
§9-1 电极的极化1、不可逆条件下的电极电势一个不可逆电池所具备的条件有两个:①电池反应在充电与放电时互为逆反应;②通过电池的电流I →0,即没有电流通过电池。
显然组成可逆电池的两个电极都是可逆电极,那么可逆电极的电极反应都是在可逆的条件下发生的。
这时电极所具有的电势就称为可逆电极电势。
可逆电极电势对许多电化学和热力学问题的解决是相当重要的。
但是在实践当中许多电化学过程,如进行电解和使用化学电源做电功时,并不是在可逆情况下进行的,也就是说要有电流通过电池或电解池,此时的电极反应就是不可逆的了,不可逆电极的电极电势用“I ϕ”表示,当然这个电极电势与可逆电极的电极电势r ϕ是不相同的,那么我们就把电极在有限电流通过时所表现的电极电位I ϕ与可逆电极电势产生偏差的现象叫做电极的极化。
偏差的大小(绝对值),称为“过电势”。
用“η”表示,||r I ηϕϕ=-,对于原电池,在可逆放电时,两电极的端电压是最大的,这个端电压就是电动势E ,它等于两个可逆电极的电位差。
()()()()r r r r E ϕϕϕϕ=-=-正阳阴负在不可逆条件下进行放电,两电极的端电压用E I 表示,它一定要小于原电池的电动势E ,E I <E ,E I =E-△E其电动势的降低主要是由于两个因素引起的,当有电流通过时, ①电池具有一定的内阻R 的消耗电位降IR ;②不可逆条件电极要产生极化,也会造成电动势下降,所以不可逆电池两电极的电位差通常就叫端电压。
物理化学论文电解与极化作用化工093班姓名:李寒萌学号:12 号电解与极化作用一、分解电压使电能转变成化学能的装置称为电解池。
当直流电通过电解质溶液,正离子向阴极迁移,负离子向阳极迁移,并分别在电极上起还原和氧化反应,从而获得还原产物和氧化产物。
若外加一电压在一个电池上,逐渐增加电压直至使电池中的化学反应发生逆转,这就是电解。
实验表明,对任一电解槽进行电解时,随着外加电压的改变,通过该电解槽的电流亦随之变化。
例如,使用两个铂电极电解HCl 溶液时,使用图9.1 的线路装置,改变可变电阻,记录电压表和电流表的读数,则可测量电解槽两端电位差与电流强度的关系曲线。
开始时,当外加电压很小时,几乎没有电流通过电解槽;电压增加,电流略有增加;当电流增加到某一点后,电流随电压增大而急剧上升,同时电极上有连续的气泡逸出。
在两电极上的反应可表示如下:阴极2H+(a H+)+2e.→H2(g, p)阳极2Cl-.(a Cl-)→Cl2(g, p)+2e. 图9.1 分解电压的测定装置当电极上有气泡逸出时,H2和Cl2的压力等于大气压力。
电解过程分析:当开始加外电压时,还没有H2和Cl2生成,它们的压力几乎为零,稍稍增大外压,电极表面上产生了少量的H2和Cl2,压力虽小,但却构成了一个原电池(自发地进行如下反应)(-) H2(p)→2H+ (a H+)+2e-(+) Cl2(g)+2e-→2Cl-(a Cl-)此时,电极上进行反应的方向正好与电解所进行的反应的方向相反。
它产生了一个与外加电压方向相反的反电动势E b。
由于电极上的产物扩散到溶液中了,需要通过极微小的电流使电极产物得到补充。
继续增大外加电压,电极上就有H2和Cl2继续产生并向溶液中扩散,因而电流也有少许增加,相当于图9.2 中I-E 曲线上的1-2段。
此时由于p H2和p Cl2不断增加,对应于外加电压的反电动势也不断增加,直至气体压力增至等于外界大气压力时,电极上就开始有气泡逸出,此时反电动势E b达到最大值E b, max将不再继续增加。
电解与极化作用一、简答题1.什么叫极化作用?什么叫超电势?极化作用主要有几种?阴、阳极上由于超电势的存在其不可逆电极电势的变化有何规律?2.在电解过程中,阴、阳离子分别在阴、阳极析出的先后次序有何规律?3.电化腐蚀主要有哪些类型?在盛水的铁锅中,为什么在水周围比在水下的部分先生锈?4.以Pt 为电极电解Na 2SO 4水溶液,在两级的溶液中各加数滴石蕊试液,在电解的过程中两极区溶液的颜色有何变化?5.当电流通过下列电解池时,判断有哪些物质生成或消失,并写出反应式。
(1)碳为阳极,铁为阴极,溶液为氯化钠;(2)银为阳极,镀有氯化银的银为阴极,溶液为氯化钠;(3)两铂电极之间盛以硫酸钾溶液。
6.电解ZnCl 2水溶液,两极均用铂电极,电解反应如何?若均改用锌电极,结果又如何?两者的分解电压有何差异?二、计算题1.用金作阳极,镍作阴极,电解 1.0 mol·dm -3H 2SO 4溶液,求:分解电压为多少伏?(O 2在Ni 上的超电势η(H 2)=0.4V ,O 2在金上的超电势η(O 2)=0.53V ,在298K 时φø [O 2/H 2O ,H +]=1.229V)。
[答案:V (分解)=φ(阳)-φ(阴)=1.899 V ]2.用Pt 电极电解CuCl 2溶液,通过的电流为20A ,经过20min 后,问:(1).在阴极上能析出多少质量的Cu ?(2).在阳极上能析出多少体积的298K ,100kPa 下的Cl 2(g)?[答案:(1)m=0.2009kg ;(2).V(Cl 2)=0.0031m 3]3.298K 时电解含两种金属离子的盐溶液)1,01.0(12=⋅=±-γkg mol b FeCl 和)1,02.0(12=⋅=±-γkg mol b CuCl 。
若电解过程中不断搅拌溶液,超电势忽略不计。
试问:①何种金属首先析出?②当第二种金属析出时,第一种金属离子在溶液中的浓度为多少?[答案:① Cu 先析出;②2910214.42-⨯=+Cu a ]4. 在411CuSO kg mol -⋅及42102.0SO H kg mol -⋅的混合液中,使铜镀到Pt 电极上。
第十章 电解与极化作用(electrolysis and polarization)教学内容 分解电压,极化作用,极化曲线 电化学极化与氢的超电势,金属的析出,金属离子的分离和共同沉积,电解还原与氧化; 金属的腐蚀与防腐,化学电源电化学基础研究的前沿领域:表面(界面)电化学,电催化,生物电化学,电化学传感器,半导体(光)电化学,谱学电化学,化学修饰电极教学目的: 掌握电化动力学的一般原理, 使学生掌握电化学的基本理论和技能。
为后续专业课的学习奠定坚实的理论基础。
教学方法: 讲解法,教学手段: 电化教学教学重点: 分解电压; 极化作用; 电解时电极上的反应教学难点:金属的电化学腐蚀与防腐; 化学电源课时分配:8学时10-1电解池分解电压(decompostion voltage of electrochemical cells)电解池与原电池;原电池:将化学能转变为电能的装置电解池:将电能转变为化学能的装置在一定条件下二者可以相互转化。
如将要接触到的二次电池。
本章主要讨论电解池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.理论分解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.分解电压的测定使用Pt电极电解H2O,加入中性盐用来导电,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曲线分解电压的实验测定 外加电压很小时,几乎无电流通过,阴、阳极上无H2气和氧气放出。
随着E的增大,电极表面产生少量氢气和氧气,但压力低于大气压,无法逸出。
所产生的氢气和氧气构成了原电池,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。
当外压增至2-3段,氢气和氧气的压力等于大气压力,呈气泡逸出,反电动势达极大值 E b,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。
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,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。
所以分解电压的数值会随着通入电流强度的增加而增加。
小结10-2 极化作用(Polarization)当电极处于平衡状态,电极上无电流通过时,这时的电极电势分别称为阳极平衡电势和阴极平衡电势.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现象称为电极的极化。
极化产生的原因根据极化产生的不同原因,通常把极化大致分为两类: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。
(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。
超电势(overpotential)在某一电流密度下,实际发生电解的电极电势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。
为了使超电势都是正值,把阴极超电势和阳极超电势分别定义为:极化曲线(polarization curve ) 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。
]()(,)()(,),)(E E η)(,E E η=−阴阴平阴不可逆=−阳阳不可阳逆平 (,) ((,())E η,)(,)()E E E η==+−阴不可逆阳不可逆阴阴平平阳阳(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腐蚀速度。
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。
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。
影响超电势的因素很多,如电极材料、电极表面状态、电流密度、温度、电解质的性质、浓度及溶液中的杂质等。
Tafel 公式(Tafel’s equation)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:η=a+bln j这就称为Tafel 公式。
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, 是超电势值的决定因素。
在常温下一般等于 。
10-3 电解时电极上的反应阴极上的反应 电解时阴极上发生还原反应。
发生还原的物质通常有(1)金属离子,(2)氢离子(中性水溶液中 )。
判断在阴极上首先析出何种物质,应把可能发生还原物质的电极电势计算出来,同时考虑它的超电势。
电极电势最大的首先在阴极析出。
阳极上的反应 电解时阳极上发生氧化反应。
发生氧化的物质通常有:(1)阴离子,如 等,(2)阳极本身发生氧化。
判断在阳极上首先发生什么反应,应把可能发生氧化物质的电极电势计算出来,同时要考虑它的超电势。
电极电势最小的首先在阳极氧化。
2z++H z+z+M +H 1(M |M)(M ,M)ln 1(H |H)ln RT E E zF a RT E F a η=−−=−$(,)(,E E =−分解电压阳极析出阴极析出)分解电压 确定了阳极、阴极析出的物质后,将两者的析出电势相减,就得到了实际分解电压。
因为电解池中阳极是正极,电极电势较高,所以用阳极析出电势减去阴极析出电势。
电解水溶液时,由于 或 的析出,会改变 或 的浓度,计算电极电势时应把这个因素考虑进去。
金属离子的分离如果溶液中含有多个析出电势不同的金属离子,可以控制外加电压的大小,使金属离子分步析出而达到分离的目的。
为了使分离效果较好,后一种离子反应时,前一种离子的活度应减少到 以下,这样要求两种离子的析出电势相差一定的数值。
电解的应用阴极产品:电镀、金属提纯、保护、产品的美化(包括金属、塑料)和制备 及有机物的还原产物等。
阳极产品:铝合金的氧化和着色、制备氧气、双氧水、氯气以及有机物的氧化产物等。
常见的电解制备有氯碱工业、由丙烯腈制乙二腈、用硝基苯制苯胺等。
10-4 金属的电化学腐蚀和防腐金属腐蚀分类:(1)化学腐蚀 金属表面与介质如气体或非电解质液体等因发生化学作用而引起的腐蚀,称为化学腐蚀。
化学腐蚀作用进行时无电流产生。
(2)电化学腐蚀 金属表面与介质如潮湿空气或电解质溶液等,因形成微电池,金属作为阳极发生氧化而使金属发生腐蚀。
这种由于电化学作用引起的腐蚀称为电化学腐蚀。
电化学腐蚀实例带有铁铆钉的铜板若暴露在空气中,表面被潮湿空气或雨水浸润,空气中的 和海边空气中的NaCl溶解其中,形成电解质溶液,这样组成了原电池,铜作阴极,铁作阳极,所以铁很快腐蚀形成铁锈。
腐蚀机制:铁在酸性介质中只能氧化成二价铁:二价铁被空气中的氧气氧化成三价铁,三价铁在水溶液中生成Fe(OH)3沉淀,又可能部分失水生成Fe2O3。
腐蚀时阴极上的反应 (1)析氢腐蚀;(2)耗氧腐蚀 金属的防腐(1)非金属防腐 在金属表面涂上油漆、搪瓷、塑料、沥青等,将金属与腐蚀介质隔开。
(2)金属保护层 在需保护的金属表面用电镀或化学镀的方法镀上Au,Ag,Ni,Cr,Zn,Sn等金属,保护内层不被腐蚀。
(3)电化学保护 a.保护器保护 将被保护的金属如铁作阴极,较活泼的金属如Zn作牺牲性阳极。
阳极腐蚀后定期更换。
b.阴极保护 外加电源组成一个电解池,将被保护金属作阴极,废金属作阳极。
c.阳极保护 用外电源,将被保护金属接阳极,在一定的介质和外电压作用下,使阳极钝化。
(4)加缓蚀剂 在可能组成原电池的体系中加缓蚀剂,改变介质的性质,降低腐蚀速度。
(5)制成耐蚀合金 在炼制金属时加入其它组分,提高耐蚀能力。
如在炼钢时加入Mn,Cr等元素制成不锈钢。
10-5 化学电源化学电源分类(1)燃料电池 又称为连续电池,一般以天然燃料或其它可燃物质如氢气、甲醇、天然气、煤气等作为负极的反应物质,以氧气作为正极反应物质组成燃料电池。
(2)二次电池 又称为蓄电池。
这种电池放电后可以充电,使活性物质基本复原,可以重复、多次利用。
如常见的铅蓄电池和其它可充电电池等。
(3)一次电池 电池中的反应物质进行一次电化学反应放电之后,就不能再次利用,如干电池。
这种电池造成严重的材料浪费和环境污染。
分类介绍燃料电池:氢氧燃料电池为例,探讨工作机制 和优缺点二次电池:铅酸电池、锂离子电池为例,探讨工作机制 和优缺点一次电池:锌-锰干电池为例,探讨工作机制 和优缺点自测题1. 某电极的交换电流i=10-3A·cm-2,若通过0.1mA·cm-2时电极极化25mV,试分析:(1)在这种情况下极化的性质,以及采取什么措施可以降低极化;(2)如果希望在极化25mV时,能得到10 A·cm-2的电流密度,需要采取什么措施?2. 某溶液在298K下,经分析知azn =1, aH+=1,如以锌作阴极进行电解,要使Zn2+全部析出(只允许其浓度为10-7mol·dm-3),需控制溶液的pH值为多少?已知H+在Zn电极上的超电势为0.7V,Zn2+在锌电极上的超电势为0。
3. 在Zn2+和Cd2+浓度各为1mol·dm-3,pH=3的溶液中进行电解,问那种离子先析出?当第二种离子析出时,溶液中第一种离子的浓度为若干?在氢析出前,第二种离子浓度又为若干?假定氢在第二种金属上的超电势为0.72V.4. 将在0.5 mol·dm-3硫酸溶液中的0.1mol硫酸铜溶液进行电解,当Cu2+浓度降至10-7 mol·dm-3时,则阴极电势为若干?若氢在铜上的超电势为0.23V,要在不让氢析出的条件下,阴极电势可能得到什么数值?。