电解与极化作用
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电解与极化作用习题及答案电解与极化作用习题及答案电解和极化是化学中重要的概念,它们在电化学、电解池和电池等领域中起着关键作用。
本文将介绍一些与电解和极化相关的习题,并提供相应的答案,帮助读者巩固和加深对这些概念的理解。
习题一:什么是电解?请简要解释电解的过程。
答案:电解是指在电解质溶液或熔融状态下,通过外加电压使溶液中的离子发生氧化还原反应的过程。
电解过程中,正极(阳极)发生氧化反应,负极(阴极)发生还原反应。
电解是一种将电能转化为化学能的过程。
习题二:什么是极化?请简要解释极化现象的产生原因。
答案:极化是指在电解质溶液或电解池中,极板表面产生的电荷分布不均匀的现象。
极化现象的产生原因主要有两个:电解质溶液中的离子在电场作用下会向电极移动,导致电极表面聚集正负离子;同时,电极表面的化学反应会导致电极上生成一层物质,阻碍离子在电极表面的移动,从而引起极化。
习题三:电解铜(II)硫酸溶液时,正极和负极上分别发生什么反应?写出反应方程式。
答案:正极上发生的反应是Cu2+离子还原为Cu金属,反应方程式为:Cu2+ + 2e- -> Cu负极上发生的反应是水分子还原为氢气和氢氧根离子,反应方程式为:2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-习题四:在电解银氨溶液时,正极和负极上分别发生什么反应?写出反应方程式。
答案:正极上发生的反应是Ag+离子还原为Ag金属,反应方程式为:Ag+ + e- -> Ag负极上发生的反应是水分子还原为氢气和氢氧根离子,反应方程式为:2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-习题五:电解池中,正极和负极上的电子流动方向分别是什么?为什么?答案:在电解池中,正极上的电子流动方向是从电解质溶液向电极流动,负极上的电子流动方向是从电极向电解质溶液流动。
这是因为正极是氧化反应发生的地方,需要电子供给;负极是还原反应发生的地方,需要电子接受。
习题六:电解质溶液中的离子浓度对电解过程有何影响?请简要解释。
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 电解与极化作用教学目的与要求:使学生了解和掌握在非可逆的条件下的一些电化学的基本概念, 电解池的电流和电势之间的关系, 电极电势和电池的电动势, 非可逆条件下的电极反应,电极电位和电池的电动势,以及金属的电化学腐蚀与金属的腐蚀的防护等内容。
在理论上,当一个电池和一个电源反向对接时,只要外加电压V 比对电池的可逆电动势大一个无穷小,原电池就变成电解池。
但在实际的电解工作中,外加的电压要比电池的可逆电动势大得多,这一方面是由于电极的极化,另一方面是由于电解池的内阻对电压的消耗。
研究不可逆的电极过程对电化学工业具有重要的应用意义,本章讨论电解在工业中的应用以及金属的腐蚀与防护,以及化学电源等。
重点与难点:电解池的电流和电势之间的关系, 电极电势和电池的电动势, 非可逆条件下的电极反应,以及金属的电化学腐蚀与金属的腐蚀的防护。
§10.1分解电压以Pt 电极电解HCl 溶液的装置(如右图所示)来说明,在电解时的电极反应是阴极:()Θpg H e H,222→++阳极: ()Θp g Cl e Cl ,222→--在电解时外加电压E和电流之间的关系(右图所示),电解时需要明确的几个问题:1.在电解时,在阳极上会产生氯气,在阴极会产生氢气,电解池实际上构成了一个电池。
2.当外加电压很小时,通过的电流很小。
在阴阳两极不会产生2H 和2Cl 气泡,产生的2H 和2Cl 以扩散的形式进入溶液。
3.当外加电压增大到一定数值的时候,产生的2H 和2Cl 的压力和大气压力相等,此时2H 和2Cl 会在电极上产生气泡,并且不断逸出,通过的电流也相应增大。
4.继续增大电压,电流也相应增大。
5.在E I -曲线上的直线部分外推到0→I 时的电压值称为该电解质溶液的分解电压分解,这个数值具有实际的应用价值,但不具有理论的意义,和对应的电池的可逆电动势也无什么严格的联系。
但对电解过程来说,分解可以看作欲使某一溶液顺利电解所需要的施加的电压。
§10. 2 极化作用当电解池通过一定的电流时,所加的外加电压要大于由电解池构成的电池的可逆电动势,这是由于:1.在电解池中内阻的存在引起的电压降IR ,2.不可逆的情况下,电池的电动势IR E 偏离该电池的可逆电动势R E (R IR E E >)。
在电化学中,把电池的电动势或电极电势偏离可逆值的现象称为极化,而把在某一电流密度下电极电势与该电极的可逆电势之差的绝对值称为超电势η。
在电解的过程中,对电解池所加的外加电压外E 可以表示为:IRE E E IR R ++=∆外阴阳ηη∆+=IR E式中R E 为相应的原电池的可逆电势,或理论分解电压,IR 是由于电路中电阻的存在引起的电压降,IR E ∆是由于电极极化引起的电动势对可逆电动势的偏离。
浓差极化在电解过程中,由于电极附近溶液的浓度和溶液本体的浓度的不同而使电极电势偏离可逆值的现象称为浓差极化。
以两个Ag 电极插入3AgNO 溶液中进行电解说明之 1. 在阴极 Ag++e→Ag()()本体C FRT S Ag AgS Ag Ag1ln,,-=++Θϕϕ当以一定的电流通过时()()()阴极区C F RTI S Ag AgSAg Ag1ln,,-=++Θϕϕ因为 本体阴极区C C <,所以有()()()S Ag Ag S Ag Ag I ,,++<ϕϕ2.在阳极本体阴极区C C >,,()()()S Ag AgS Ag AgI ,,++>ϕϕ定义阴极和阳极超电势R IR ϕϕη-=阳IRR ϕϕη-=阴关于浓差极化的具体的例子(书中P 121) 剧烈的搅动可以降低浓差极化的影响。
浓差极化的应用—极谱分析法电化学极化在通过搅拌消除浓差极化以及不考虑电路电阻引起的电压降的情况下,要使电解以一定的速度进行,所加的电压还要比相应的电池的电动势为大,特别是当电极上有气体发生时,这种差异就更为明显。
这种现象称为电化学极化,相应的引起的超电势称为电化学超电势(或活化超电势)。
电化学超电势产生是由于为了使电极反应以一定的速度进行而必须施加的额外的推动力。
考虑了浓差极化及电化学极化与后,电解过程的阳极电势和阴极电势可以表述为()()()()阳阴阴阳阳阳ηϕϕηϕϕ-=+=R IR R IR这样,由于极化的存在,使电解时的阴极电势更+负,阳极电势更正,所加的外加电压比相应的可逆电动势更大。
阴阳阴阳外ηηϕϕ++=-=R E E (不考虑欧姆电压降)极化曲线—超电势的测定超电势的测定装置如右图所示。
测定超电势实际上就是测定在有电流通过时的电极电。
然后从电流与极电势的关系曲线就可以得到极化曲线。
设我们要测定电极2的极化曲线,可以借助于电极1,将电极1与电极2构成一个电解池,调节外电路中的电阻,可以改变通过两个电极的电流,再将甘汞电极与电极2构成一个电池,并将两个电极和电位差计连接,就可以测出在通过一定电流时电极2的电极电势,这样不断地改变通过电极2的电流,就可以测出在不同电流密度时电极2的电极电势,从而得到极化曲线。
实验证明,当电流密度不同时,两极的电极电势不同,因而超电势也不同。
下图是作为电解池和电池时电极电势,外加电压或电池的电动势与电流密度之间的关系。
从能量消耗的角度来说,无论是原电池还是电解池,极化作用的存在总是不利的,为了使电极的极化减小,必须供给电极以适当的反应物质,由于这种物质比较容易在电极上反应,可以使电极上的极化减小或限制在一定的范围内,这种作用称为去极化作用,这种外加的物质称为去极化剂。
超电势和电流密度,电极材料以及表面状态,温度,电解质的性质等因素有关。
一般来说,在电极上发生的反应有气体参加时(222,,Cl O H ),超电势比较高,而且在一般的电解工作中,常常伴随着有222,,Cl O H 等的发生,所以对2H 的超电势人们给与了较多的注意。
左图是氢在几种电极上的超电势。
氢超电势早在1905年,塔菲尔提出了一个经验公式,表示氢超电势与电流密度之间的定量关系式[]()j j b a /ln +=η式中j 为电流密度,[]j 是电流密度的单位,b a ,是常数,a 是电流密度为1A 时的超电势,和电极材料,电极的表面状态,溶液及实验温度有关,b 的数值对大多数金属差不多相等。
常温下,V b 05.0=。
如果以η对[]j j /ln 作图,可以得到一条直线,一般情况下是符合事实的,但根据塔菲尔公式,当0→j 时,-∞→η,这显然是不对的,实际上,当0→j 时,j ωη=(式中ω是与金属性质有关的常数)。
关于氢超电势的理论解释从二十世纪三十年代,对氢超电势提出了不同的理论。
如迟缓放电理论,复合理论等,在不同的理论中有一些共同之处,如都提出了+H 的放电可以分为以下几个步骤:1. +O H 3从本体溶液扩散到电极的附近。
2. +O H 3从电极附近溶液中移动到电极上。
3.+OH 3在电极上可以按照如下的步骤进行反应。
O H H Me e Me O H 23+-→+++A1OH H Me e O H H Me 223++→++-+A2 电化学脱附OH H Me e Me OH 23+-→+++B 122H Me H Me H Me +→-+- B 2复合脱附+OH 3在电极上可以按照A,B的任何一种方式生成2H 。
4. 2H 从电极上扩散到溶液中或形成气泡溢出各个步骤中究竟哪一部最慢,各学者的看法不一,迟缓放电理论认为,第3步的A最慢,而复合理论认为B2最慢,也有人认为,各步的反应速率相近,反应属于联合控制。
实际上在不同的金属上,氢超电势的大小不同,可采用不同机理来解释。
一般来说,对氢电势比较高的金属,如Cd Pb Zn Hg ,,,等,迟缓放电理论可以概括全部的实验事实,对低超电势的金属,Pd Pt ,等,复合理论可以解释实验事实,对氢电势适中的金属如Cu Co Fe ,,等,情况要复杂一些,但无论采用何种机理,最后都可以得到塔菲尔公式§10. 3 电解时电极上的竞争反应金属的析出于氢的超电势电解时,如果加在两个电极上的电压由小到大的变化,两极的电热势差也越来越大,当溶液中有几种离子可能比还原或氧化时,电势越正的离子越容易被还原,越负的离子越容易被氧化。
电解时,不但要考虑电解反应,而且要注意电极反应对溶液的浓度和组成的影响。
电解时在阴极上发生还原反应,由于溶液中同时存在着金属离子和+H ,那种离子优先析出,决定于离子的析出电势的高低(电势高者易析出)。
由于电解是一个非可逆的电极过程,所以要用他们的非可逆电极电势进行比较。
一般对金属离子的析出,可以不考虑超电势,但当阴极上有气体析出时,,由于气体析出的超电势比较大,必须考虑超电势。
例一 3AgNO 溶液的电解,溶液的,7=pH 同时设1=+Ag α+Ag 的析出电势 ()()s Ag e AgAg→+=++1α()()VS Ag AgS Ag Ag779.0//==++Θϕϕ+H的析出电势 H()()g He HH272110→+=-++αH+(()()在银电极析出的超电势在银电极析出的超电势在银电极析出的超电势22222414.0101log05916.07//H H H gH HgH HηηηϕϕΘ-=-=-=-++由于Ag 的析出电势比2H 高得多,所以首先析出的是银。
例二 以镉电极为阴极,电解4CdSO ,溶液的,7=pH 同时设1=+Ag α可能的阴极反应()()s Cd e CdCd→+=++2122α()()VS Cd CdS CD Cd403.0,/22-==++Θϕϕ如果没有氢的超电势,两者的数值非常接近(V 403.0-和V 414.0-),从理论上讲,都可以析出,,但由于2H 的超电势的存在,使氢气的析出电势比镉要低得多,使氢气的析出要比镉难得多。
从以上的两个例子可以看出,由于氢气的超电势的存在,使那些原本比2H 活泼的金属析出时,不会有2H 析出,这才使得人们有可能在金属上镀上比2H 活泼的金属,甚至可以立用2H 在Hg 上的很高的超电势,在Hg 电极析出金属钠(汞齐);有可能在含蓄电池充电时,使Pb 沉积到电极上而不放出2H 。
在金属析出的过程中,还要注意因浓度的改变,从而发生电势的改变,引起H2析出的可能性。
在电解的过程中,还必须考虑溶液组成的改变例三.298,如以Pt 为电极电解4CuSO 溶液,浓度为31-⋅dm mol 。
发生的电极反应为阴 ()s Cu e Cu →++22阳 ()g O He O H 2222+→-+在电解的过程中 ()4242,SO H CuSOs Cu Cu →→+电解过程中铜电极和氧电极构成的原电池为:()()()Pt p O dmmolCuSOs Cu ,|1|234Θ-⋅如该电池中各物质的活度系数为1,并知对于7=pH 的溶液,氧在铂电极上的析出点势为1.70V (IR ),则该电极的分解电压VE 36.13.070.1=-=-=阴阳ϕϕ在电解的过程中,+2Cuα+将变小,阴极电势()++-=221ln2340.0,Cus Cu CuFRT αϕ将降低,分解电压增大,如果外加电压为2.0V时,则有V F RT Cu 0.21ln234.070.12=⎪⎪⎭⎫⎝⎛--+α322102.22--⋅⨯=+dm mol Cu α要求在2H 析出时,+2Cu 的浓度为多少?由于先析出铜,其电极电势不断下降,同时由于产生+H ,()g H H2,+ϕ的电位上升,当两者电位相等时,两者同时析出(此时要考虑2H 在铜电极上的超电势(V H 62.02=η)。