物理化学电子教案：电化学基础-（3）电解与极化（3学时2012材料能源专业）

《物理化学电子教案：电化学基础-（3）电解与极化（3学时2012材料能源专业）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理化学电子教案：电化学基础-（3）电解与极化（3学时2012材料能源专业）（63页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、物理化学电子教案物理化学电子教案 华南师范大学物理化学研究所华南师范大学物理化学研究所 7.11 极化作用第第1111节节 极化作用极化作用第第1212节节 电解反应的次序和析出电势电解反应的次序和析出电势第第1313节节 电解的工业应用电解的工业应用第第1414节节 金属腐蚀金属腐蚀第第1515节节 化学电源化学电源 7.11 7.11 极化作用极化作用 上述用热力学观点讨论化学能转变为电能的问题，在可逆电池里，电池反应是在无限接近平衡的状态下进行的，电池中几乎没有电流通过。当电池作为电源使用时，必定有电流通过电池，而有电流通过电池的情况下，电极会发生某种变化，使电极离开平衡状电极离开平衡状

2、态态,发生不可逆现象。发生不可逆现象。如果要使电能转变为化学能，就必须把电流通入电解质溶液，使它在电极上产生化学变化，即发生电解过程电解过程，在这种情况下，电极也会离开平衡状态。这个过程也是不可逆过程。以下讨论极化作用，主要讨论电解时的极化作用，对电解产物析出的影响和金属腐蚀等问题。实验：用实验：用Pt作为电极电解作为电极电解H2SO4水溶液水溶液当电解过程中在两电极上实际发生的反应为：阴极阴极 2H+（aq）+2e-H2(g)阳极阳极 2OH-(aq)H2O(l)+O2(g)+2e-分解电压的测定装置电流强度与电解槽压实际分解电压电解与分解电压oDH阳极阳极阴极阴极Eb.max 电解与分解电

3、压电解与分解电压 对抗电解过程产生的原电池对抗电解过程产生的原电池：Pt(s),H2(g)H2SO4(1.0mol dm-3)O2(g),Pt(1)电池产生与外加电压方向相反的 电动势E b(2)电池的标准电动势为 E 标准=E O2/H2O.H+-EH+/H2=1.229 V(3)当电极上氢气和氧气压力增加到等于外界大气压时,电极上有气泡逸出,氢气、氧气压力不再继续增加，E b 达到最大值,E b.max。(4)E 外-E b.max=I R;(5)E E b.max b.max 称为称为实际分解电压实际分解电压问问:实际分解实际分解电压是否等电压是否等于此原电池于此原电池电动势（表电动势（

4、表7-147-14）Eb.max氧气；氢气电解：阴极阴极 2H+（aq）+2e-H2(g)阳极阳极 2OH-(aq)H2O(l)+O2(g)+2e-Eb.max实验中发现：实验中发现：（1)只有当外加电压比1.229V大一定数值(1.67V)，电解才能以明显速率进行。（2）将电解质换成其它电解质，如HNO3,H3PO4,NaOH或KOH等，电解产物相同，分解电压都在1.7 V左右，分解电压的数值基本上和电解质的性质无关。（电解水）（电解水）（3）某些酸(如HCl,HBr，HI)的分解电压都小于1.7V，而且其数值各不相同。这是由于它们的电极反应和电解产物的不同所致。电解与分解电压实际分解电压远

5、大于原电池电动势为什么？理论分解电压与实际分解电压理论分解电压与实际分解电压电解质溶液的（实际）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。电解质溶液的实际分解电压为什么大于理论分解电压？（大于E可逆,为什么?）如何测定实际分解电压?理论分解电压 在数值上等于该电解池形成对抗电解过程的可逆电池时的可逆电动势。E 理论分解=E 可逆 极化作用极化作用极化（极化（polarizationpolarization）当电极上无电流通过时，电极处于平衡状态，这时的电极电势分别称为阳极平衡电势 和阴极平衡电势 。(eq阳,平）()eq阴,平 在有电流通过时，随着电极上电流密度的增加，

6、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对平衡电势的偏离称为电极的极化离称为电极的极化。极化使实际分解电压大于理论分解电压。为什么实际分解电势会偏离平衡电势？极化的类型与产生原因极化的类型与产生原因极化大致分为两类：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.利用滴汞电极上的浓差极化建立了极谱分析方法。由浓差极化产生的超电势由浓差极化产生的超电势

7、,称为称为浓差超电势浓差超电势浓差极化对电极电势的影响是什么？以反应-OeRz，设R为不溶性析出物，如Zn2+还原析出为金属Zn 的情形设电极表面附近Zn离子的浓度为sa(lnsRTanF实际）浓差超电势的数值的计算0lneqRTanF平衡电势是相当于溶液深处的Zn2+离子浓度0a0(lnseqRTanFa实际）0saa为负值阴极极化，使阴极电位变负。浓差超电势的数值的计算同理：如果把锌作阳极，发生阳极溶解，这时0saa0lnseqaRTnFa 为正值，即阳极极化时，使阳极电势更正。(1)coneLRTinFi浓差超电势和电流密度i的关系电流密度足够小时，浓差超电势与电流密度成正比（2）电化学

8、极化 这种由于电化学反应步骤的阻力而引起的极化称为电化学极化，由电化学极化所引起的超电势，称为电化学超电势（活化超电势）。在电极上发生的电化学反应都是由一系列连续步骤组成，在整个过程中哪一步步骤最慢，它就控制了整个电极反应的速率。为此，必须在相应的平衡电势上额外附加电势，以克服此阻力，加速反应的进行 以阴极反应为例，由于电极反应速率慢，Zn2+离子来不及将外电源送到阴极上的电子全部“吃掉”，造成电极表面有过量的电子“堆积”(与平衡状态相比)，电极电势便离开平衡值，向负方移动，即阴极极化。极化的表示方法和超电势 极化程度的大小由电极电势对平衡电势的偏离数值的大小来衡量。极化电极的电势与其平衡电势

9、的差值，称为超电势超电势(过电位过电位)。eq 电解槽的槽压因极化而增大电解槽的槽压因极化而增大 电池的端电压因极化而变小电池的端电压因极化而变小 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。极化作用极化作用eq 超电势的大小反映电极极化程度的强弱.超电势的存在，使电解时需要消耗更多的能量a c阳极超电势阴极超电势考虑电流密度为i的情况，此时阳极和阴极电势分别为ac而超电势则为aaaeq ccccceqeqEeqacE槽 EeqaceqeqEeqacEiR槽 aacceqeqiR aaaeqccceqacEiR槽 极化作用极化作用 超电势的存在使电极电势向偏离平衡电势的方向

10、变大，即正极(阳极)更正，负极(阴极)更负，两极分化，结果是电解槽的槽电压增大。对于电池来说，超电势的存在使其正极(阴极)电势变低，负极(阳极)电势变高，结果电池的输出电压将变小EeqacEiR电 池影响电化学极化的因素影响电化学极化的因素 电极材料电极材料 电极的表面状态电极的表面状态 电流密度电流密度 温度温度 电解质性质、浓度电解质性质、浓度 溶液中杂质溶液中杂质一般金属的超电势较小，而气体的析出电势较大。一般金属的超电势较小，而气体的析出电势较大。例如氢气、氧气例如氢气、氧气介绍介绍:氢离子析出的电化学极化氢离子析出的电化学极化氢超电势氢超电势 电解质溶液通常用水作溶剂，在电解过程中，

11、在阴极会与金属离子竞争还原。+H 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。P355P355水化氢离子在电极表面的放电析出水化氢离子在电极表面的放电析出（代表水分子）代表水分子）氢气在几种电极上的超电势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

12、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。为什么要研究氢超电势为什么要研究氢超电势?许多电化学系统都会遇到氢的氧化还原反应 电解食盐水制烧碱工业 铅蓄电池充电，利用氢的超电势,减少因氢析出能耗。电解水制取氢气或分离氢同位素等 电镀工业中氢气的析出,对镀层损害且降低电流效率 金属的析氢腐蚀 标准氢电极的电极电势是电极电势的基准,有必要研究电极上析氢的反应历程.介绍：极化的测定方法极化的测定方法超电势的测定超电势的测定超电势测定装置-恒电流法恒电流法 测定极化，一般就是测定极化曲线。在测定分解电压时，实际上同时测出了两个电极的极化

13、。恒电流法和恒电势法恒电流法和恒电势法恒电流法就是控制电流密度在不同的恒定值，然后测定随之变化的电极电势。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。7.12 电解反应的次序和析出电势电解反应的次序和析出电势 因离子析出电势不同，电解反应就有次序问题，例如在一定条件下进行电解时，溶液中有某些物质(离子、分子等)在电极上发生得失电子的反应，而另一些则不能。离子析出反应的次序可用离子析出电势的大小来判断。离子的析出电势就是离子在电极上开始以明显的速度放电离子的析出电势就是离子在电极上开始以明显的速度放电析出时的电极电势。析出时的电极电

14、势。已知超电势，已知超电势，可按下式计算析出电势,aaaeq析 出,ccceq析 出 计算中必须注意溶液的浓度、温度等对平衡电势的影响，而不能只用标准电极电势。算出析出电势后，便可按下述规则判断电解反应的次序：阳极首先进行的氧化反应是电极电势的负值较大(或正值较小)的反应，阴极首先进行的还原反应是电极电势的正值较大(或负值较小)的反应。金属的析出与氢超电势金属的析出与氢超电势 当电解金属盐类水溶液，溶液中的金属离子和氢离子都会当电解金属盐类水溶液，溶液中的金属离子和氢离子都会趋向阴极，何者先在电极上反应？趋向阴极，何者先在电极上反应？阴极上还原电势越正者，其氧化态越先还原析出阴极上还原电势越正

15、者，其氧化态越先还原析出阳极上还原电势越负者，其还原态越先氧化析出阳极上还原电势越负者，其还原态越先氧化析出 -共同原则共同原则由于氢超电势的存在，使金属活动顺序在氢以上的由于氢超电势的存在，使金属活动顺序在氢以上的金属也能从溶液中析出来金属也能从溶液中析出来 -选择合适的电极材料，控制阴极上离子的析选择合适的电极材料，控制阴极上离子的析出出可通过控制外加电压，防止氢气在阴极同时析出。可通过控制外加电压，防止氢气在阴极同时析出。金属离子的分离金属离子的分离 如果溶液中含有多个析出电势不同的金属离子，可可利用金属析出电势的不同将它们分离。利用金属析出电势的不同将它们分离。通过控制外加电压的大小，

16、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。7107 ln10RTEzF 1 0.41V 2 0.21V 3 0.14VzEzEzE当 例例1 以Pt为电极，电解含有Ag+(0.01moldm-3)和 Cu2+(1mol dm-3)的硫酸盐。假定H+=1mol dm-3，已知氢在铂电极上的超电势为-0.4V，氧在铂电极上的超电势为0.5V，求298.15K时在阴极析出物质的先后顺序及开始析出物质时对应的槽压。解:阴极可能析出产物的析出电势：2O2Cu1(Cu2eCu)0.0296lg0.33

17、7VaOA1(AgeAg)0.0592lg0.681VgaO122A1(HeH)0.0592lg0.40.4Vga 故在阴极上析出的先后顺序为Ag,Cu,H2。阳极可能析出的物质为OH-,SO42-。因SO42-的析出电势很高，在水溶液中不可能放电，所以只可能是OH-在阳极反应析出O2V729.1|1lg0296.0)OHe2H2O(2/1O2O2H2221O ppaEE故Ag 析出时槽压为 1.729-0.681=1.048 V【例2】有一含0.01moldm-3的Ag+和1 moldm-3的Cu2+的硫酸盐溶液，其中【H+】=1 moldm-3，如忽略金属析出的超电势，则两种离子开始时的析

18、出电势分别为 =（0.7991+0.05916lg0.01）V=0.681V+Ag Ag,xAg AgAg0.05916lgc22CuCu,xCuCu0.05916lg12 =（0.337+1lg205916.0）V=0.337V+Ag Ag,x2+CuCu,x因 铜离子和银铜离子和银离子哪个先离子哪个先析出？析出？Cu2+开始析出的电势是0.337V，因此，只要控制阴极电势在0.337V以上，则只会是Ag析出从而实现将此溶液中的Ag+与Cu2+的分离。=（0.7991+0.05916lg10-7）V=0.385V+Ag Ag 此时，可将阴极取出称量其电解前后的净增值即为析出Ag的量。然后，再

19、插入另一新的电极，继续增加外电压，可使Cu2+沉积。当阴极电势达0.681V时，Ag优先在阴极开始析出，假定溶液中的【Ag+】=10-7 moldm-3时，认为Ag+已全部沉积，则此时 离子共同析出离子共同析出要使两种离子同时在阴极析出，就必须使它们具有相近的析出电势。例如 (Zn2+2e-Zn)-0.763 (Cu2+2e-Cu)0.337 V OO 加入络合剂NaCN后，生成了络离子，使得铜的平衡电势变为-0.763V，锌为-1.108V，两者相差0.345V。在阴极电流密度为0.005 A cm-2时，铜的超电势-0.685 V，锌的超电势为-0.316 V，因此，铜的析出电势为:-1.

20、448V，锌的析出电势为-1.424V，两者仅相差0.024V，在这样的条件下，就可以使铜、锌同时析出，从而实现锌铜合金电镀。如黄铜合金。第第13节节 电解的工业应用电解的工业应用 电解的方法在工业上具有广泛的应用，例如水的电解、电镀、熔盐电解、氯碱工业，电合成等。下面介绍电解精炼、电合成和电镀。电解精炼电解精炼电合成电合成 电镀电镀电沉积电沉积 电化学在打捞泰坦尼克电化学在打捞泰坦尼克号沉船中应用的设想号沉船中应用的设想打捞船（直流电源）打捞船（直流电源）氢气泡氯气泡3000深海底周围,水深压力300X101.325KPa沉船上的浮标电解海水;发动机功率6万瓦需发电一年泰坦尼克号沉船金属的腐

21、蚀金属的腐蚀金属腐蚀分两类：（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。金属的电化学腐蚀和防腐金属的电化学腐蚀和防腐电化学腐蚀的例子：铜板上的铁铆钉为什么特别容易生锈？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。22CO,SO铁锈的组

22、成铁锈的组成铁在酸性介质中只能氧化成二价铁：2+Fe(s)Fe2e 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 沉淀，又可能部分失水生成。3Fe(OH)3Fe(OH)23Fe O 所以铁锈是一个由 等化合物组成的疏松的混杂物质。2+3+323Fe,Fe,Fe(OH),Fe O阳阳极极(-)：Fe Fe2+2e oFe2+/Fe=-0.44V腐蚀时阳极上的反应腐蚀时阳极上的反应腐蚀时阴极上的反应腐蚀时阴极上的反应(1)析氢腐蚀酸性介质中 在阴极上还原成氢气析出。+H2+H+22H12HeH(g)(H|H)lnaRTEFa 设 ，则+27HH1,10aa+2(H|H)0.413 VE铁

23、阳极氧化，当 时认为已经发生腐蚀，2+6(Fe)10a2+2+61(Fe|Fe)(Fe|Fe)ln100.617VRTEEzF$这时组成原电池的电动势为，是自发电池。0.204V腐蚀时阴极上的反应腐蚀时阴极上的反应 如果既有酸性介质，又有氧气存在，在阴极上发生消耗氧的还原反应：这时与 (-0.617V)阳极组成原电池的电动势为 。显然耗氧腐蚀比析氢腐蚀严重得多。2+(Fe|Fe)E1.433 V（2）耗氧腐蚀+2+27O2H 1,10,(O|H O,H)0.816VaaE设则+2+22+224OHO(g)+4H4e2HO1(O|HO,H)ln4RTEEFa a$1.229 VE$比较：，则+2

24、7HH1,10aa+2(H|H)0.413 VE 为什么？形成浓差电池的腐蚀形成浓差电池的腐蚀 金属表面不同部位电解质溶液浓度不均匀形成的金属表面不同部位电解质溶液浓度不均匀形成的浓差电池也能产生电化学腐蚀。浓差电池也能产生电化学腐蚀。实验实验:如将两块金属铁电极放在稀NaCl溶液中，在一个电极表面通氮气另一电极通空气，这时两电极间产生电势差并引起了电流的流动。该电池的电极反应为：缺氧电极：阳极 Fe-2e-Fe2+氧足电极：阴级 O2+2H2O+4e-4OH-例子:同一根铁管,如局部处于氧浓度较低处(裂缝或螺纹连接处等)就构成浓差电池,氧气缺少的部分作为阳极被腐蚀)关于电化学腐蚀关于电化学腐

25、蚀 1.所形成的腐蚀电池阳极反应一般都是金属的溶解过程 M Mz+ze-2.阴极反应在不同条件下可以是不同的反应，最常见的有下列两种反应：H+离子还原成氢气的反应（析氢腐蚀）（析氢腐蚀）2H+2e-H2。该反应通常容易发生在酸性溶液中和在氢超电势较小的金属材料上。氧气还原成OH-离子的反应（耗氧腐蚀）（耗氧腐蚀）O2+2H2O+4e 4OH-。在中性或碱性溶液中，以及溶液里溶解有足够量的氧气时，常发生此反应。若在酸性环境中，发生反应 O2+4H+4e-2H2 酸性介质中的耗氧腐蚀酸性介质中的耗氧腐蚀,金属腐蚀程度更为严重金属腐蚀程度更为严重.金属的防腐1.非金属防腐 在金属表面涂上油漆、搪瓷、

26、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。按防腐性质将保护层分为阳极保护层和阴极保护层按防腐性质将保护层分为阳极保护层和阴极保护层镀镀上上去去的的金金属属比比被被保保护护的的金金属属有有较较低低电电势势例例：Fe 上上镀镀锌锌（白白铁铁），当当锌锌层层破破损损后后，基基底底的的铁铁作作为为阴阴极极可可继继续续受受到到保保护护镀镀上上去去的的金金属属电电势势更更高高例例：Fe 表表面面上上镀镀 Sn(马马口口铁铁)oSn2+/Sn=-0.136V,oFe2+/Fe=-0.44VSn为为

27、阴阴极极，Sn膜膜一一旦旦破破损损，Fe的的腐腐蚀蚀更更快快使使金金属属表表面面形形成成一一层层氧氧化化膜膜例例：Al 表表面面的的Al2O3膜膜（Al 可可在在空空气气中中氧氧化化，也也可可用用 H2SO4等等处处理理使使之之生生成成 Al2O3起起保保护护作作用用）Cr2O3膜膜的的保保护护作作用用历历史史悠悠久久，秦秦(二二千千年年前前)即即使使用用 Cr2O3膜膜金属的防腐金属的防腐（3）电化学保护 1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。2阴极电化学保护 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。3阳极电化学保护 用

28、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。例如：例如：碱碱性性较较酸酸性性介介质质易易钝钝化化（4）加缓蚀剂）加缓蚀剂 在可能组成原电池的被腐蚀体系中加缓蚀剂，改变介质的性质，降低腐蚀速度。缓蚀剂降低腐蚀速度机理缓蚀剂降低腐蚀速度机理:通过减慢阴极通过减慢阴极(或或阳极阳极)过程速率过程速率,或覆盖电极表面，防止腐蚀发生或覆盖电极表面，防止腐蚀发生 无机盐如铬酸盐，磷酸盐，亚硝酸盐等在中性水盐体系介质中能形成胶体离子向阳极迁移，与金属腐蚀的阳极溶解产物生成沉淀覆盖在阳极表面上，起到防腐作用阳极缓蚀剂无机缓蚀剂无机缓蚀剂例如：多磷酸钠可作硬质水的缓蚀剂（用于锅炉）。由于

29、它与水中Ca+形成胶体向阴极迁移，形成阴极缓蚀剂有机缓蚀剂：含N，S，O和三键的化合物如胺类，吡啶类，甲醛等它们在金属表面有较强的吸附性，可以是阴极或阳极或两极同时吸附，缓蚀效果较好。有机缓蚀剂可以是阴极缓蚀剂有机缓蚀剂可以是阴极缓蚀剂;也可以是阳极缓蚀剂也可以是阳极缓蚀剂气相缓蚀剂气相缓蚀剂 在包装上加入某些易于挥发但挥发不是很快的物质在包装上加入某些易于挥发但挥发不是很快的物质,当金当金属器件表面由于由于温度或湿度的变化而形成水膜时属器件表面由于由于温度或湿度的变化而形成水膜时,这些这些物质将溶解在水膜中物质将溶解在水膜中,改变介质性质改变介质性质,防止金属锈蚀防止金属锈蚀.这种物这种物质

30、称为气相缓蚀剂质称为气相缓蚀剂（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。化学电源化学电源 目前人类广泛地使用着各种能源，如化学能、核能、地热能、日光能、风力能等，但最主要的还是化学能，包括各种草木燃烧、化石燃料、煤、石油、天然气，油页岩)。在生产实践和日常生活中，化学能可被转换成热能(如加热、干燥、取暖等）：机械能(如爆炸)、光能(如照明)和电能(如发电厂、化学电池)等方式加以利用。随着科学技术的发展，把化学能转化为电能加以利用的方式已日益占据主要地位。化学能热能机械能、电能：这是一般火力发电装置所经历的途径，由于热能到机械能的转换受

31、卡诺公式的限制，加上其他转换过程的损失，所以转换效率不很高，大型火力发电站可以达到3050，小型的火力发电装置只有1020。由于火力发电装置、内燃机等在使用化学能的过程中，由于火力发电装置、内燃机等在使用化学能的过程中，常常放出大量常常放出大量CO。以及。以及SO2、CO、NO、烟尘等物质，污染、烟尘等物质，污染环境，而化学电源工作过程中却没有这类问题。因此，化学环境，而化学电源工作过程中却没有这类问题。因此，化学电源的研制和应用受到了更大的重视。电源的研制和应用受到了更大的重视。化学电源化学电源 化学电源的特点化学电源的特点（1 1）能量转换效率高）能量转换效率高 化学电源能量转换效率远远高

32、于火力发电。从理论化学电源能量转换效率远远高于火力发电。从理论上讲可以达到上讲可以达到100%100%。（2 2）污染相对较少污染相对较少 （3 3）便于使用便于使用 具有可携带性、使用方便具有可携带性、使用方便。可以做成适合不同工作需要的多种性能的装置，从而可以做成适合不同工作需要的多种性能的装置，从而为一些用于特殊目的的设备提供电能，这是其它供电方式为一些用于特殊目的的设备提供电能，这是其它供电方式无法比拟的。无法比拟的。化学电池的性能指标（1 1）容量容量是指是指1 1安培电流持续通过安培电流持续通过1 1小时所给小时所给出的电量出的电量(I I.t t)。（2 2）理论质量比能量理论质

33、量比能量是指是指1kg1kg反应物所产生反应物所产生的电能的电能(w.h kg(w.h kg-1-1)。（3 3）化学电源的寿命化学电源的寿命包括使用寿命，充放寿命包括使用寿命，充放寿命和贮存寿命。和贮存寿命。（4 4）功率密度功率密度单位重量或单位体积的电池输出单位重量或单位体积的电池输出的功率的功率(W/kg;W/dm(W/kg;W/dm-3-3)(5)(5)电池的开路电压与工作电压电池的开路电压与工作电压.电池电动势电池电动势 开路电压开路电压 工作电压工作电压 几种常见电池的性能比较几种常见电池的性能比较电池电池类型类型工作电压工作电压 （V）比 能 量 密 度比 能 量 密 度（Wh

34、/kg）备备 注注铅铅酸电池酸电池1.930汽车电池，重量重且能量密度低镉镉镍电池镍电池1.240环境污染，记忆效应。氢氢镍电池镍电池1.350记忆效应可可充碱性电池充碱性电池1.480无记忆效应，高容量用于低功率设备锂锂离子电池离子电池3.7130-180薄、轻、无记忆效应、高容量，很好的荷电保持能力1.1.一次电池一次电池 干电池也称一次电池，即电池中的反应物质在进行一次电化学反应放电之后就不能再次使用了。常用的有锌锰干电池、锌汞电池、镁锰干电池等锌锰干电池 正极材料：MnO2、石墨棒；负极材料：锌筒；电解质：NH4Cl、ZnCl2及淀粉糊状物。电池符号可表示为 422Zn NHZnCl

35、MnO(c)Cl+-43 22 Zn+2NH Cl(NH)ZnCl+2H+2e423 22 Zn+2NHCl+2MnO(NH)ZnCl+2MnOOH负极负极正极正极总反应总反应例例:汞电池、银电池汞电池、银电池（纽扣电池）（纽扣电池）心脏起搏器的工作原理心脏起搏器的工作原理 心脏起搏器式有微型电池驱动的电脉冲发生器,由它控制产生每秒约72次的电脉冲来控制心脏有规律的跳动.驱动人工心脏起搏器的电流只需10 -5-10-6A.科学家设计人体电池供给起搏器能量.使用年限一年。Zn 2+人体体液 O2ZnPt心脏起搏器阳极阳极:ZnZn 2+2e阴极阴极:1/2O 2+2H+2e H 2O 正常人的心

36、脏跳动是由心跳中枢控制，心跳中枢是天然起搏器，产生每秒约72次的脉冲，使心脏有规律的跳动。由于疾病、药物会创伤，神经传到刺痛受损，导致心律失调，甚至停跳。二次电池二次电池(可充电电池可充电电池)1.1.铅酸蓄电池铅酸蓄电池（1860年）铅酸蓄电池的构成如下：Pb(s)H2SO4(aq,b)PbO2(s)|Pb(s)负极：Pb+H 2SO4 PbSO4+2H+2e-正极：PbO2+2H+H 2SO4+2e-PbSO4+2H2O 电池反应：Pb+PbO2+2H 2SO4=2PbSO4+2H2OOE铅蓄电池将析氧超电势大的铅蓄电池将析氧超电势大的PbO PbO 2 2与析氢超电势大的与析氢超电势大的

37、PbPb组组合合,使电池具有高的电压使电池具有高的电压.铅酸蓄电池铅酸蓄电池，优点：电动势较高，内阻小，使用温度范围大，原料丰富，优点：电动势较高，内阻小，使用温度范围大，原料丰富，价格低，电量和电能效率高。缺点是：板极强度差，怕震动，且笨重，价格低，电量和电能效率高。缺点是：板极强度差，怕震动，且笨重，充电时有酸雾，自放电强烈，并有充电时有酸雾，自放电强烈，并有H2放出。如不注意易引起爆炸。这放出。如不注意易引起爆炸。这种电池广泛用于汽车、拖拉机、小型运输车、实验室等。种电池广泛用于汽车、拖拉机、小型运输车、实验室等。电解液为碱液的碱性蓄电池广泛用作航天电源。这一类电池包括镍镉蓄电池、银镉蓄

38、电池和银一锌蓄电池。其中银锌电池是五十年代出现的一种高能电池，它的比能量高，为铅蓄电池的45倍，它能大电流放电，放电电压平稳，自放电较小，有良好的机械性能，缺点是原料价格贵，内部易短路。主要用在宇宙航行、人造卫星、火箭、导弹和高空飞行。2.镉镍电池镉镍电池 Pb(s)Cd(OH)2(s)KOH(aq)Ni(OH)2(s)NiOOH(s)负极 Cd+2OH-Cd(OH)2+2e-Cd(OH)2+2e-Cd+2OH-0.809V正极 2-NiOOH+2H2O+2e-2-Ni(OH)2+2OH-NiOOH+2H2O+2e-Ni(OH)2+2OH-+0.490V电池反应 2-NiOOH+Cd+2H2O

39、=2Ni(OH)2+Cd(OH)2OE锂离子电池：具有石墨结构的碳材料负极，采用锂与过渡金属的复合氧化物正极。锂离子电池是一种可充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池。是现代高性能电池的代表。正极反应：放电时锂离子嵌入;充电时锂离子脱嵌。充电时：LiFePO4 Li1-xFePO4+xLi+xe-放电时：Li1-xFePO4+xLi+xe-LiFePO4 负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。充电时：x

40、Li+xe-+6C LixC6放电时：LixC6 xLi+xe-+6C 3.3.锂离子电池锂离子电池 锂离子电池由于它的高容量、轻重量、高电压、无记忆效应、不污染锂离子电池由于它的高容量、轻重量、高电压、无记忆效应、不污染环境等优点，很快为人们所接受，并迅速占领了电池市场。环境等优点，很快为人们所接受，并迅速占领了电池市场。锂离子电池目锂离子电池目前主要应用于移动电话、数码相机、笔记本电脑，摄像机和电动工具等便前主要应用于移动电话、数码相机、笔记本电脑，摄像机和电动工具等便携式的电子产品，预计将来还将广泛应用于电动汽车、储备电源、军事航携式的电子产品，预计将来还将广泛应用于电动汽车、储备电源、

41、军事航天等多种新兴的重要领域天等多种新兴的重要领域3.燃料电池 燃料电池是一种可连续工作、能把燃料氧化的化学能直接转化为电能的电化学装置。其特点是电极的反应物质（提供化学能的燃料和氧化剂）储存在电池的外部，可以根据需要连续加入，产物则随时排出。电极本身在工作时并不消耗和变化。而一般化学电源，反应物质在电池体内，因而容量受电池体积和重量的限制。燃料电池的能量转换效率不受卡诺循环限制，能量利用率高得多，反应比较安全可靠，不会产生严重的污染。科学家预言，燃料电池将成为本世纪世界上获得电力的重要途径氢氧燃料电池氢氧燃料电池 H2+O2H2O(1)Pt(s)|H2(g)KOH(aq)O2(g)|Pt(s

42、)负极：负极：H2+2OH-2H2O+2e-正极：正极：O2+H2O+2e-2OH-燃料电池燃料电池（-）燃料）燃料电解质电解质氧化剂（氧化剂（+）特点：能量转换率高特点：能量转换率高 减少大气污染减少大气污染 比能量高比能量高 高度稳定性高度稳定性练习与思考练习与思考(判断题判断题)：1.通常把溶解在水或其它溶剂中具有电离性质的物质称为电解质2.离子导体的电阻随温度的升高而增大3.凡是离子都带有电荷,因此它在溶液中的移动现象都称为离子的电迁移现象.4.在电迁移过程中,溶液中正、负离子传递的电量恰等于流过电极的电量.5.离子淌度或离子电迁移率即为离子的运动速率6.使用法拉第定律需注意温度和压力

43、的条件7.若在通电的电解质溶液中正、负离子的移动速率不同,电荷不同,则他们分担导电任务的百分数也不相同.8.因为溶液是电中性的,溶液中正负离子所带的电量相等,所以正负离子的迁移数也相等9.离子的迁移数与离子迁移的速率成正比,当温度、浓度及某正离子的运动速率为一定时,其迁移数也一定.10.离子的迁移数是指该离子分担导电任务的分数,同一种离子在不同电解质中的迁移数总是相同11.溶液中所有正负离子的迁移数之和必定是1.12.在温度、电位梯度相同的情况下，无限稀释的氯化钾、氯化氢、氯化钠三种溶液中，氯离子的运动速率相同，但氯离子的迁移数不同 13.对只含有单一电解质所电离的正负离子溶液,离子的淌度越大

44、,其迁移数也越大;但在混合电解质溶液中,离子淌度大的其迁移数不一定也大.14.一定温度下的稀溶液，电解质摩尔电导率随溶液浓度减少而减少。15.对于强电解质水溶液，其电导率随浓度的增加而增加。16.在水溶液中，带有相同电荷数的离子，其离子半径越大，则其迁移率和离子的摩尔电导率越小。17.离子的摩尔电导率与其价数有关,价数越高,离子的摩尔电导率越小,反之亦然.18.离子独立运动定律是指溶液中每一种离子是独立移动的,不受其他离子的影响.19.浓度极稀的强电解质溶液的摩尔电导率与其浓度的平方根基本成直线关系。20.在恒温、恒压、可逆的放电过程中，电池所吸收的热量等于TS。21.电池的电动势随电池反应的

45、计量系数不同而变化.22.已知电池 AgIAg+II Zn2+Zn 的 Zn2+/Zn=-0.761伏;Ag2+/Ag=0.799伏;能产 生的标准电动势为1.560伏.23.当电池的标准电动势大于零时,表示电池反应能自发进.24.某电池在可逆情况下放电,当(E/T)p0时,电池放热.25.恒温、恒压下,G0的反应不能进行.26.等温、等压的实际放电过程中,电池热效应Qp=rHm27.电池的电动势随电池反应的计量系数不同而不同。28.常用的甘汞电极有三种，即饱和甘汞电极、摩尔甘汞电极和0.1mol甘汞电极，因三者浓度不同，所以他们的标准电极电位不相等。29.电池在不可逆放电时端电压小于可逆电池

46、电动势，在有电流通过电解池时，外加电压必大于可逆电池电动势。30.电极电势是指待测电极和标准氢电极构成电池的电动势，是一相对值。31.能斯特（Nernst）方程表达了可逆电池的电动势与温度及有关物质的浓度或活度的关系32.电解时两种离子同时析出的条件是两种离子的析出电位相等。33.在一定温度下，用相同铂电极电解1molNaOH水溶液和H2SO4水溶液的理论分解电压不相同。34.超电势的大小反映了电极极化程度的强弱，浓差极化越大，阴极电位越来越正、阳极电位越来越负。35.为了控制氢气的析出，使金属活动顺序在氢以上的金属能从溶液中析出来，应选择氢超电势大的材料做电极。36.一贮水铁箱上被腐蚀了一个洞，今用一金属片焊接在洞外面以堵漏，为了延长铁箱的寿命，可选用金属铜片。作业：26 27 30 31