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第七章.电化学-revised

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第七章电化学 物化课件(修改版1209)

第七章电化学 物化课件(修改版1209)

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2020/10/22
惰性电极之间：
阴极区：n终n始n+,迁-n电；或n终n始-n-,迁
阳 极 区 ： n 终 n 始 n - , 迁 - n 电 ； 或 n 终 n 始 - n + , 迁
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2020/10/22
两惰性电极之间：
1、向阴、阳两极迁移的正、负离子物质的电量总和等 于通入溶液的总电量。
原电池(galvanic cell)
Zn电极：
Zn(S)→Zn2++2e发生氧化作用，是阳极。电 子由Zn极流向Cu极，Zn极电 势低，是负极。
Cu电极：
Cu2++2e-→ Cu(S) 发生还原作用，是阴极。电 流由Cu极流向Zn极，Cu极电 势高，是正极。
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2020/10/22
电池中，阳极是负极；在电解池中， (Anode) 阳极是正极。
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2020/10/22
离子迁移方向
离子迁移方向：
阴离子迁向阳极
A n io n A n o d e
阳离子迁向阴极
C a tio n C a th o d e
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2020/10/22
二、离子迁移数的测定 Hittorf法：
例7-2
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2020/10/22
在 一 个 截 面 积 为 A 的 圆 筒 形 容 器 中 ， 充 满 量 浓 度 为 c 的 强 电 解 质 A +B
A B A zB z
正 、 负 离 子 定 向 迁 移 的 速 率 分 别 为 和 假 设 电 场 的 电 势 梯 度 /（ lVm 1 ） 是 均 匀 的 。

第7章电化学ppt课件

第7章电化学ppt课件
Q zFξ 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/B F 法拉第常数; F = Le = 96485.309 C/mol
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
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。
祝大家学习愉快，天天进步！
7
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
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。
(MichaelFaraday,1791 —1867)英国、化学家
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
§7.1 电极过程、电解质溶液及法拉第定律
§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）
电极①： Cu2++2e-→Cu(S)
①
② 与外电源负极相接电势低，是 负极。
发生还原反应，是 阴极。
结论
电极②： Cu(S)→ Cu2++2e-
与外电源正极相接，是 正极。 发生氧化反应，是阳极。
电解池： 阳极即正极
阴极即负极
Cu2++2e-=Cu

物理化学课件第七章-电化学

物理化学课件第七章-电化学
解离度为 。
l
S
A
r
r
A
S' E
离子的电迁移
山东理工大学 33
Mx N y
c(1 )
xMz yNz
cx cy
设正离子迁移速率为 r ，单位时间向阴极方向通 过任意截面 ss' 的物质的量为 (cx Ar )mol ，所迁移
的电量为 (cx Ar )zF ，因为是单位时间，所以：
Q t
I
(cx Ar )zF
D. 导电总量全部由电子承担
山东理工大学 6
第二类导体又称离子导体，如电解质溶液、熔 融电解质等 第二类导体的特点是：
A. 正、负离子作反向移动而导电
B. 导电过程中有化学反应发生
C. 温度升高，电阻下降
D. 导电总量分别由正、负离子分担（速率，电荷）
*固体电解质，如 AgBr、PbI2 等，也属于离子 导体，但它导电的机理比较复杂，导电能力不高，
dE u ( dl )
u , u 称为正、负离子的
电迁移率,单位 m2 s1 V1。
离子的电迁移率又称为离子淌度(ionic mobility)， 相当于单位电位梯度时离子迁移的速率
电迁移率的数值与离子本性、电位梯度、溶剂性 质、温度等因素有关，可以用界面移动法测量。
山东理工大学 30
离子迁移数的定义
2电解质溶液的导电机理 ①正负离子定向迁移；
②界面上分别发生氧化还原反应，电荷转移；
结果实现了化学能和电能之间的转换。
3 电极命名法： 正极（电势高） 负极（电势低）
原电池 阴极（还原反应） 阳极（氧化反应）
电解池 阳极（氧化反应） 阴极（还原反山东应理工）大学 15
法拉第定律的文字表述

Chapter 7 Electrochemistry

Chapter 7 Electrochemistry

1.Oxidation Number and Valence
Oxidation number: refers to the number of apparent charges an atom would have in a molecule. valence: refers to the loss or gain of electrons, transfer of electrons. In most cases, oxidation number = valence but: CrO5, Fe3O4 -2 -1 O -1 O O Cr -1 -1 O O
4.Balancing Redox Reaction

How to balance a redox reaction?
Oxidation Number Method Ion-electron Method
Sample Problem
PROBLEM:
Balancing Redox Equations by the Oxidation Number Method

Electrolysis
electrical energy
galvanic cell
chemical energy
3.Electrochemical Cell



Electrochemical cell (galvanic cell, voltaic cell)(原电池): the experimental apparatus that can convert the chemical energy into the electrical energy. Electrochemical cell: uses the energy released from a spontaneous redox reaction to generate electricity. Electrochemical cell is based on spontaneous redox reaction .

物理化学07章电化学-精品文档

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相互转化及转化过程中有关规律的科学。
电解
电能
电池
化学能
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2019/2/16
电化学的用途
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
电解质溶液的导电性质
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2019/2/16
(一)电解质溶液
主要内容
电化学的基本概念和法拉第定律
离子的电迁移和迁移数 电导 强电解质溶液理论简介
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2019/2/16
1.1 电化学的基本概念
电化学研究对象 电化学主要是研究电能和化学能之间的
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2019/2/16
1.2 法拉第化学变化物质的量与通入的
电量成正比。
⒉ 通电于若干个电解池串联的线路中，当所取的
基本粒子的荷电数相同时，在各个电极上发生反 应的物质，其物质的量相同，析出物质的质量与 其摩尔质量成正比。
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2019/2/16
正极、负极
正极：
电势高的极称为正极，电流从正 极流向负极。
负极：
电势低的极称为负极，电子从负极 流向正极。
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2019/2/16
阴极、阳极 发生还原作用的极称为阴极，在 原电池中，阴极是正极；在电解池 (Cathode) 中，阴极是负极。

《理学电化学》PPT课件

《理学电化学》PPT课件

2020/11/18
2.离子迁移数的测定方法
①希托夫法 — 由实验数据计算（tB ）
Hittorf 法中假设条件： 1、电解前后各区水量不变。 2、无副反应。
优点: 原理简单，测定容易。 缺点：准确性略差。
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2020/11/18
2.离子迁移数的测定方法
Hittorf 法中必须采集的数据： ⑴通入的电量，由库仑计测得。
n前：电解前某电极区存在的某一离子的数量；
n后：电解后该电极区存在的该离子的数量；
n电：电极反应所引起的该离子数量的变化，由 电量计得出，离子增加取“+” ，反之取“-”
；n迁：由于离子迁移所引起的该离子数量的变化， 离子迁入取“+”，迁出取“－” 。
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2020/11/18
为了度量阴、阳离子对输送电量（导电能力） 或电流的贡献，引入了离子迁移数的概念（t ）
把离子B所运载的电流与总电流之比称为离子
B的迁移数（transference number），符号 t B 。
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2020/11/18
离子的迁移数（Transfer Number）
离子迁移数的定义 t B d e f
IB I
阳离子迁移数：t
I I I
阴离子迁移数：t
I I I
t 的量纲为一，数值上总小于1。
溶液中只有一种电解质：
t t 1
溶液中有多种电解质： ti t+ t 1
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2020/11/18
离子的迁移数（Transfer Number）

第七章 电化学(第六版)


或
M ( 还 原 态 ) M ( 氧 化 态 )z e
：
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。
Q zF
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/B F 法拉第常数; F = Le = 96485.309 C/mol
13
第十三页，编辑于星期五：十七点 四十九分。
定义:离子迁移数为离子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:
t
I II
t
I II
（1 ）
显然 t t 1
对于含有多种离子的电解质溶液则有：
tB 1
14
第十四页，编辑于星期五：十七点 四十九分。
2
第二页，编辑于星期五：十七点 四十九分。
物理化学中的电化学主要着重介绍电化学的基础理论部 分 用热力学的方法来研究化学能与电能之间相互转换的规律 ，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：
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；
应可进行。
H2
O2
极板/溶液：电子得失
溶液中： 离子定向迁移
利用电能以发生化学反应 的装置成为电解池
电解池
5
第五页，编辑于星期五：十七点 四十九分。
例：氢与氧的反应
电解池：
阴极: 2H+ + 2e－ H2
阳极： H2O12O2+2H++2e-

第7章 电化学(1)

把离子所运载的电流与总电流之比称为离子的 迁移数，用符号t 表示。
注意
I B QB tB I总 Q 总
① 迁移数可用来度量离子对输送电量的贡献； ② t 量纲为一，数值上总小于1； ③ 如果溶液中只有一种电解质： ④ 如果溶液中有多种电解质：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
t t 1
i +
t t t
•通过电极的元电荷的物质的量： z
z L •通过电极的电量： Q zLe
•通过电极的电荷数：

nB B
Q zF 法拉第常数F Le 96500C mol
-1
３、法拉第定律（Faraday’s law）
Q zF 法拉第常数F Le 96500C mol -1
阴极反应： 1 Cu 2+ e 1 Cu(s) n电解后 n电解前 n反应 n迁移 2 2
3、离子迁移数的测定方法
在希托夫管中用铜电极 电解已知浓度的CuSO4溶液， 溶液中通以20mA的直流电。通电完毕后 ，串联在电 路中的银库仑计阴极有 0.0405gAg 析出。阴极区溶液 质量为36.434g，据分析知，通电前含 CuSO4 1.1276g， 通电后CuSO4为1.109g，试求Cu 2 和SO4 的迁移数。 1 22SO 解法2： 先求 4 的迁移数，以 SO 4 为基本粒子。 2
3、离子迁移数的测定方法
例题
在希托夫管中用铜电极 电解已知浓度的CuSO4溶液， 溶液中通以20mA的直流电。通电完毕后 ，串联在电 路中的银库仑计阴极有 0.0405gAg 析出。阴极区溶液 质量为36.434g，据分析知，通电前含 CuSO4 1.1276g， 通电后CuSO4为1.109g，试求Cu 和SO4 的迁移数。

第7章电化学

2. 利用电能来驱动化学反应将不能自发进行的 反1应4:51放:27 在电解池装置中输入电流使反应得以进行。2
第七章 电化学(Electrochemistry)
三部分： •电解质溶液：（§7.1 --§7.4） •原电池： （§7.5 --§7.9） •电解和极化：（§7.10--§7.12）
14:51:27
第七章 电化学(Electrochemistry)
电解
电能
电池
化学能
14:51:27
1
第七章 电化学(Electrochemistry)
电化学：研究电与化学反应相互关系的科学，主要 研究通过化学反应来产生电能以及通过电流导致化 学变化。
如汽车用蓄电池、一般用的碱性电池
电化学主要用热力学的方法来研究 化学能与电能之间相互转换的规律 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；
原电池
但如将逆反应放入如图
电源
所示装置内，通电后，逆反 应可进行。
H2 阴极－
O2 ＋阳极
极板/溶液：电子得失
Fe
Ni
溶液中： 离子定向迁移
利用电能以发生化学反 应1的4:51装:27 置成为电解池
电解池
KOH 水溶液
6
1. 电解池和原电池
例：氢与氧的反应
电解池：
阴极: 2H+ + 2e－ H2
② 不受电极、外界条件的影响
③ 该定律在任何温度、任何压力下均可以 使用。
14:51:27
21
2. 电解质溶液和法拉第定律
通电于 Au(NO3 )3 溶液，电流强度 I 0.025 A
阴极上析出 Au(s)=1.20 g

第七章 电化学 Electrochemistry 物理化学课件


本章电化学讨论的内容
• 电化学的内容十分丰富，本章分三部分讨
论其最基本的原理，即：
• (一)电解质溶液
• (二)可逆电池电动势
• (三)不可逆电极过程。
化学现象与电现象的联系，化学能与电 能的转化，都必须通过电化学装置方可实现。 电化学装置可分为两大类：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。无论是原电池还是电 解池，都必须包含有电解质溶液和电极两部 分。
第七章 电化学 Electrochemistry
电能
电解
化学能
电池
第七章 电化学
科学出版社，1983年
黄子卿 (1900—1982）, 北京大学化学系教授， 中科院学部委员。
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科学。在 物理化学中，电化学是一门重要的分支学科，其 涉及领域十分广泛，从日常生活、生产实际直至 基础理论研究，都会经常遇到电化学问题
离子迁移数测定仪
measurement of transport number by the moving boundary method
Suppose the boundary moves a distant x from AA’ to BB’ for the passage of Q coulombs. All the ions, H+, passed through the boundary BB’. The amount of substances transported is then Q/F, of which t+Q/F are carried by the positive ion. If the volume between the boundaries AA’ and BB’ is V, and the concentration of HCl is c, then
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4
化学与环境工程学院
物理化学教案
第七章
4.写出电极上发生的反应，判断某离子浓度是增加了、减少了还是没有发生变化。 5.判断离子迁移的方向。
7.3 电导
●电导、电导率、摩尔电导率
电导（electric condutance）
电导是电阻的倒数，单位为 或 。
G= 1 R
R=U, I
G= I U
电导 与导体的截面积成正比，与导体的长度成反比：
●阴极、阳极
●例题
●原电池
●电解池
●电流效率
●电化学研究对象
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。
电化学的用途
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。
∞
m,+
+
L
∞
m, −
对于强电解质，在浓度不太大时近似有
L∞ L
2.
t+ =
m,+
L∞
≈
m,+
L
m
m
t−
=
L∞ m, −
L∞
≈
L m,− L
m
m
L
3.
α
=
L
m
∞
m
4.
L∞ m,+
=
U
∞ +
F
对强电解质近似有
L m,+ = U+ F
L
∞ m, −
=
U
∞ −
F
对强电解质近似有
L m,− = U− F
5.
n
=
Q zF
Q = nzF
电极上发生反应的物质的质量
m
为：
m = nM
=
Q zF
M
法拉第常数：法拉第常数在数值上等于 1 mol 元电荷的电量。已知元电荷电量为
F=L·e
=6.022×1023 mol-1×1.6022×10-19 C
=96484.6 C·mol-1
≈96500 C·mol-1
例题：
通电源后，移动 C 点，使 DGC 线路中无电流通过，如用耳机则听到声音最小，这时 D，C 两点电位降相等，
电桥达平衡。根据几个电阻之间关系就可求得待测溶液的电导。
R1 = R3 Rx R4
电导池常数（cell constant）
电导池常数
R
=
ρ
l A
=
ρ Kcell
K cell
=
1 ρ
⋅R
=
kR
因为两电极间距离 和镀有铂黑的电极面积 无法用实验测量，通常用已知电导率的 KCl 溶液注入电导
池，测定电阻后得到。然后用这个电导池测未知溶液的电导率。
电导率与浓度的关系
强电解质溶液的电导率随着浓度的增加而升高。当浓度增加到一定程度后，解离度下降，离子运动速率降
低，电导率也降低，如 和 KOH 溶液。
中性盐由于受饱和溶解度的限制，浓度不能太高，如 KCl。
弱电解质溶液电导率随浓度变化不显著，因浓度增加使其电离度下降，粒子数目变化不大，如醋酸。
设想在两个惰性电极之间有想象的平面 AA 和 BB，将溶液分为阳极部、中部及阴极部三个部分。假定
未通电前，各部均含有正、负离子各 5 mol，分别用+、-号代替。
设离子都是一价的，当通入 4 mol 电子的电量时，阳极上有 4 mol 负离子氧化，阴极上有 4 mol 正离 子还原。
两电极间正、负离子要共同承担 4 mol 电子电量的运输任务。 现在离子都是一价的，则离子运输电荷的数量只取决于离子迁移的速度。 1．设正、负离子迁移的速率相等， ，则导电任务各分担 2mol，在假想的 AA、BB 平面上各有 2mol 正、负 离子逆向通过。
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物理化学教案
第七章
第七章 电化学
主要内容
●电化学的基本概念和法拉第定律
●离子的电迁移和迁移数
●电导
●强电解质溶液理论简介
7.1 电化学的基本概念和法拉第定律
（1）基本概念
（2）法拉第定律
●研究对象
●定律的文字表示
●电化学用途
●法拉第常数
●两类导体
●定律的数学式
●正极、负极
●粒子的基本单元
×197.01g.2⋅0mgol−1
/3
=
4.57×10−3
mol
解法二 取基本粒子荷 3 个基本电荷：即 Au，
(1)
Q
=
nzF
=
1.20 g 197.0 g ⋅ mol-1
× 3× 96500
C ⋅ mol−1
= 1763 C
⑵ t 同上
(3)
n(O2)
=
3 4
×
n(Au)
=
3 4
×197.10.2g0⋅mgol−1
⒊电分析
⒋生物电化学
●两类导体
1.第一类导体，又称电子导体，如金属、石墨等。
A.自由电子作定向移动而导电
B.导电过程中导体本身不发生变化
C.温度升高，电阻也升高
D.导电总量全部由电子承担
⒉ 第二类导体，又称离子导体，如电解质溶液、熔融电解质等。
A. 正、负离子作反向移动而导电
B. 导电过程中有化学反应发生
5
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物理化学教案
第七章
电导测定的装置
电导测定实际上测定的是电阻，常用的韦斯顿电桥如图所示。
AB 为均匀的滑线电阻， 为可变电阻，并联一个可变电容 以便调节与电导池实现阻抗平衡，M 为放
有待测溶液的电导池， 电阻待测。I 是频率在 1000Hz 左右的高频交流电源，G 为耳机或阴极示波器。接
G∝ A l
电导率（electrolytic conductivity）
因为
G∝ A l
G=k A l
比例系数 称为电导率。电导率相当于单位长度、单位截面积导体的电导，单位是
电导率也就是电阻率的倒数：
R=ρ l A
k= 1 ρ
摩尔电导率（molar conductivity）
在相距为单位距离的两个平行电导电极之间，放置含有 1 mol 电解质的溶液，这时溶液所具有的电导
平均活度和平均活度系数
离子强度
强电解质溶液的离子互吸理论
电导理论
平均活度和平均活度系数
电解质化学势的表达式
HCl(aHCl ) → H+ (aH+ ) + Cl− (aCl− )
●摩尔电导率与浓度的关系 由于溶液中导电物质的量已给定，都为 1mol，所以，当浓度降低时，粒子之间相互作用减弱，正、负
离子迁移速率加快，溶液的摩尔电导率必定升高。但不同的电解质，摩尔电导率随浓度降低而升高的程度 也大不相同。
●离子独立移动定律
德国科学家 Kohlrausch 根据大量的实验数据，发现了一个规律：在无限稀释溶液中，每种离子独立
其定义式为：
tB def
IB I
是量纲为 1 的量，数值上总小于 1。
●迁移数的测定方法 1．Hittorf 法
在 Hittorf 迁移管中装入已知浓度的电解质溶液，接通稳压直流电源，这时电极上有反应发生，正、 负离子分别向阴、阳两极迁移。
通电一段时间后，电极附近溶液浓度发生变化，中部基本不变。 小心放出阴极部（或阳极部）溶液，称重并进行化学分析，根据输入的电量和极区浓度的变化，就可 计算离子的迁移数。 Hittorf 法中必须采集的数据： 1. 通入的电量，由库仑计中称重阴极质量的增加而得，例如，银库仑计中阴极上有 0.0405 g Ag 析出， 2. 电解前含某离子的物质的量 n(起始)。 3.电解后含某离子的物质的量 n(终了)。
解法一
取基本粒子荷单位电荷：即
(1)
Q
=
nzF
=
1.20 g 197.0 g ⋅ mol-1
×1× 96500 /3
C ⋅mol−1
= 1763 C
2
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物理化学教案
第七章
(2)
t
=
Q I
=
1763 C 0.025 A
=
7.05×104
s
(3)
n(O2
)
=
1 4
×
n(13Au)
=
1 4
3
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物理化学教案
第七章
当通电结束，阴、阳两极部溶液浓度相同，但比原溶液各少了 2mol，而中部溶液浓度不变。 2．设正离子迁移速率是负离子的三倍，则正离子导 3mol 电量，负离子导 1mol 电量。在假想的 AA、BB 平 面上有 3mol 正离子和 1mol 负离子逆向通过。
通电结束，阳极部正、负离子各少了 3mol，阴极部只各少了 1mol，而中部溶液浓度仍保持不变。 离子电迁移的规律： 1.向阴、阳两极迁移的正、负离子物质的量总和恰好等于通入溶液的总电量。
= 4.57×10−3
mol
法拉第定律的意义
⒈ 是电化学上最早的定量的基本定律，揭示了通入的电量与析出物质之间的定量关系。
⒉ 该定律在任何温度、任何压力下均可以使用。
⒊ 该定律的使用没有什么限制条件。
7.2 离子的电迁移和迁移数
•离子的电迁移现象
•电迁移率和迁移数
•离子迁移数的测定
●离子的电迁移现象
2.
阳极部电解质物质的量的减少 阴极部电解质物质的量的减少
=
正离子所传导的电量(Q+ 负离子所传导的电量(Q−