物理化学武汉大学可逆电池的电动势及其应用学习教案.pptx

物理化学武汉大学可逆电池物理化学武汉大学可逆电池(dinch)的电的电动势及其应用动势及其应用第一页，共49页。2023/2/272023/2/27原电池原电池原电池原电池(galvanic cellgalvanic cell)阴极，正极(zhngj)：Cu电极阳极(yngj)，负极：Zn电极电解质溶液，阴极与阳极对应的电解质溶液可能电解质溶液，阴极与阳极对应的电解质溶液可能(knng)相同也可能相同也可能(knng)不同。不同。隔膜或盐桥隔膜或盐桥第1页/共49页第二页，共49页。2023/2/272023/2/27净反应(fnyng)：原电池电池(dinch)的书面表示法电池(dinch)的表示第2页/共49页第三页，共49页。2023/2/272023/2/27原电池净反应：电池(dinch)的书面表示法电池的表示第3页/共49页第四页，共49页。2023/2/272023/2/27电池(dinch)的书面表示法1.左边为负极(fj)，起氧化作用；右边为正极，起还原作用。2.“|”表示(biosh)相界面，有电势差存在。3.“|”表示盐桥，使液接电势降到可以忽略不计。4.“”表示半透膜。5.要注明温度，不注明就是298.15 K；要注明物态，气体要注明压力；溶液要注明浓度。6.气体电极和氧化还原电极要写出导电的惰性电极，通常是铂电极。第4页/共49页第五页，共49页。2023/2/272023/2/27电池基本(jbn)性能电池(dinch)电动势 电功 等温等压下等温等压下对可逆电池对可逆电池(dinch)第5页/共49页第六页，共49页。2023/2/272023/2/27电化学与热力学的联系(linx)桥梁桥梁(qioling(qioling)公式公式:第6页/共49页第七页，共49页。2023/2/272023/2/278.1可逆电池(dinch)和可逆电极(电化学与热力学的联系(linx)(组成可逆电池(dinch)的必要条件(可逆电极的类型第7页/共49页第八页，共49页。2023/2/272023/2/27组成可逆电池(dinch)的必要条件化学反应可逆 能量(nngling)变化可逆原电池 电解池第8页/共49页第九页，共49页。2023/2/272023/2/27组成可逆电池(dinch)的必要条件净反应：原电池总反应：电解池阴极：阳极：第9页/共49页第十页，共49页。2023/2/272023/2/27组成(z chn)可逆电池的必要条件可逆电池还应满足能量可逆电池还应满足能量(nngling)可逆要求：可逆要求：流过电池流过电池(dinch)的电流无限小，的电流无限小，I 0严格的说，可逆电池中不应有任何不可逆过程。严格的说，可逆电池中不应有任何不可逆过程。所以凡具有两个不同电解质溶液接界的电池均不可逆。所以凡具有两个不同电解质溶液接界的电池均不可逆。第10页/共49页第十一页，共49页。2023/2/272023/2/27从化学反应(huxu fnyng)设计电池(1)Zn(s)+H2SO4(aq)H2(p)+ZnSO4(aq)验证(ynzhng)：(-)Zn(s)Zn2+2e-(+)2H+2e-H2(p)Zn(s)|ZnSO4|H2SO4|H2(p),Pt净反应(fnyng)：Zn(s)+2H+Zn2+H2(p)第11页/共49页第十二页，共49页。2023/2/272023/2/27从化学反应(huxu fnyng)设计电池(2)AgCl(s)Ag+Cl-验证(ynzhng)：(-)Ag(s)Ag+e-(+)AgCl(s)+e-Ag(s)+Cl-Ag(s)|Ag+(aq)|HCl(aq)|AgCl(s)|Ag(s)净反应(fnyng)：AgCl(s)Ag+Cl-第12页/共49页第十三页，共49页。2023/2/272023/2/27可逆电极(dinj)的类型a.金属与其(yq)阳离子组成的电极 汞齐电极 b.氢电极 氧电极 卤素电极金属-难溶盐及其阴离子组成(z chn)的电极金属-氧化物电极氧化-还原电极第一类电极第二类电极第三类电极第13页/共49页第十四页，共49页。2023/2/272023/2/27第一类电极(dinj)及其反应Na+(a+)|Na(Hg)(a)Na+(a+)+nHg+e-Na(Hg)n(a)电极 电极反应Mz+(a+)|M(s)Mz+(a+)+ze-M(s)第14页/共49页第十五页，共49页。2023/2/272023/2/27第一类电极(dinj)及其反应电极 电极反应H+(a+)|H2(p),Pt2H+(a+)+2e-H2(p)OH-(a-)|H2(p),Pt 2H2O+2e-H2(p)+2OH-(a-)H+(a+)|O2(p),PtO2(p)+4H+(a+)+4e-2H2OOH-(a-)|O2(p),Pt O2(p)+2H2O+4e-4OH-(a-)Cl-(a-)|Cl2(p),Pt Cl2(p)+2e-2Cl-(a-)第15页/共49页第十六页，共49页。2023/2/272023/2/27第二类电极(dinj)及其反应电极 电极反应Cl-(a-)|AgCl(s)|Ag(s)AgCl(s)+e-Ag(s)+Cl-(a-)OH-(a-)|Ag2O|Ag(s)Ag2O(s)+H2O+2 e-2Ag(s)+2OH-(a-)H+(a+)|Ag2O(s)|Ag(s)Ag2O+2H+(a+)+2e-2Ag(s)+H2O第16页/共49页第十七页，共49页。2023/2/272023/2/27第三类电极(dinj)及其反应电极 电极反应Fe3+(a1),Fe2+(a2)|PtFe3+(a1)+e-Fe2+(a2)Cu2+(a1),Cu+(a2)|PtCu2+(a1)+e-Cu+(a2)Sn4+(a1),Sn2+(a2)|PtSn4+(a1)+2e-Sn2+(a2)第17页/共49页第十八页，共49页。2023/2/272023/2/278.2电动势的测定(cdng)$对消法测电动势的原理(yunl)$对消法测电动势的实验(shyn)装置$标准电池$电动势与温度的关系$为什么标准电池有稳定的电势值第18页/共49页第十九页，共49页。2023/2/272023/2/27对消法测定(cdng)电动势的原理图调节可变电阻，使得调节可变电阻，使得Ew在可变在可变电阻上产生的电压与标准电池电阻上产生的电压与标准电池以及以及(yj)待测电池相同，于待测电池相同，于是通过电池的电流为是通过电池的电流为0第19页/共49页第二十页，共49页。2023/2/272023/2/27对消法测电动势的实验(shyn)装置工作电源电位计检流计标准电池待测电池第20页/共49页第二十一页，共49页。2023/2/272023/2/27标准电池结构图电池(dinch)反应：(-)Cd(Hg)Cd2+Hg(l)+2e-(+)Hg2SO4(s)+2e-2Hg(l)+SO42-净反应(fnyng)：Hg2SO4(s)+Cd(Hg)(a)+8/3H2OCdSO48/3H2O(s)+Hg(l)第21页/共49页第二十二页，共49页。2023/2/272023/2/27标准电池结构图第22页/共49页第二十三页，共49页。2023/2/272023/2/27问题(wnt)为什么在一定(ydng)温度下，含Cd的质量百分数在514%之间，标准电池的电动势有定值？答：从Hg-Cd的相图可知，在室温下，镉汞齐中镉含量在514%之间时，体系处于(chy)熔化物和固溶体两相平衡区，镉汞齐活度有定值。而标准电池电动势只与镉汞齐的活度有关，所以也有定值。第23页/共49页第二十四页，共49页。2023/2/272023/2/27标准电池电动势与温度(wnd)的关系ET/V=1.01845-4.0510-5(T/K-293.15)-9.510-7(T/K-293.15)2+110-8(T/K-293.15)3ET/V=E(293.15K)/V-39.94(T/K-293.15)+0.929(T/K-293.15)2-0.009(T/K-293.15)3+0.00006(T/K-293.15)410-6我国在1975年提出的公式为：通常(tngchng)要把标准电池恒温、恒湿存放，使电动势稳定。第24页/共49页第二十五页，共49页。2023/2/272023/2/27可逆电池(dinch)电动势的取号DrGm=-zEF自 发 电 池：DrGm0例如(lr)：Zn(s)|Zn2+|Cu2+|Cu(s)Zn(s)+Cu2+Zn2+Cu(s)DrGm0非自发(zf)电池：DrGm0，E0，E0第25页/共49页第二十六页，共49页。2023/2/272023/2/278.3可逆电池(dinch)的热力学!E与活度a的关系(gun x)!E$求平衡常数K$!E,DrGm和K$与电池反应(fnyng)的关系!从E及其温度系数求DrHm和DrSm第26页/共49页第二十七页，共49页。2023/2/272023/2/27（1）从E和 求DrHm和DrSm第27页/共49页第二十八页，共49页。2023/2/272023/2/27（2）E与a(活度)的关系(gun x)(-)H2(p1)2H+(aH+)+2e-(+)Cl2(p2)+2e-2Cl-(aCl-)净反应(fnyng)：H2(p1)+Cl2(p2)2H+(aH+)+2Cl-(aCl-)（1）2HCl(a)（2）Pt,H2(p1)|HCl(0.1molkg-1)|Cl2(p2),Pt第28页/共49页第二十九页，共49页。2023/2/272023/2/27（2）E与a(活度)的关系(gun x)（1）因为因为(yn wi)第29页/共49页第三十页，共49页。2023/2/272023/2/27（3）从 求 将两者从数值上联系在一起。第30页/共49页第三十一页，共49页。2023/2/272023/2/27（4）E，和 与电池(dinch)反应的关系例如：H2()+Cl2()2H+(a+)+2Cl-(a-)1/2H2()+1/2Cl2()H+(a+)+Cl-(a-)（1）E，和 与电池反应(fnyng)的关系第31页/共49页第三十二页，共49页。2023/2/272023/2/278.5电极电势和电池(dinch)电动势!标准(biozhn)氢电极!氢标还原(hun yun)电极电势!为何电极电势有正、负!二级标准电极甘汞电极!电池电动势的计算!电极电势计算通式第32页/共49页第三十三页，共49页。2023/2/272023/2/27标准(biozhn)氢电极规定(gudng)标准氢电极用镀铂黑的金属(jnsh)铂导电第33页/共49页第三十四页，共49页。2023/2/272023/2/27氢标还原(hun yun)电极电势E(Ox|Red)（-）（+）阳极(yngj)，氧化 阴极，还原 以标准氢电极为阳极，待测电极为阴极，因为 为零，所测电动势即为待测电极的氢标还原电极电势。第34页/共49页第三十五页，共49页。2023/2/272023/2/27电池(dinch)电动势的计算方法一：查表求得利用电极Nernst方程电池电动势：方法二：查表求得电池标准电动势：根据电池Nernst方程第35页/共49页第三十六页，共49页。2023/2/272023/2/27电池(dinch)电动势的计算方法三：查表求得电池反应电池(dinch)标准电动势：根据电池Nernst方程第36页/共49页第三十七页，共49页。2023/2/272023/2/27例题(lt)求氢氧燃料电池(rn lio din ch)在298K时的理论电动势解：反应为设计电极反应为：负极 正极电池反应为查表得：第37页/共49页第三十八页，共49页。2023/2/272023/2/27例题(lt)也可以(ky)查表得：第38页/共49页第三十九页，共49页。2023/2/272023/2/27例题(lt)由 求算电极(dinj)反应为：(2)-(1)=(3)第39页/共49页第四十页，共49页。2023/2/272023/2/278.6电动势测定(cdng)的应用（2）判断(pndun)氧化还原的方向（6）求离子(lz)迁移数（1）求热力学函数的变化值（4）测平均活度系数g（5）测定未知的E$(Ox|Red)值（7）测溶液的pH（3）求 (不稳定)等第40页/共49页第四十一页，共49页。2023/2/272023/2/27（1）求热力学函数(hnsh)的变化值测定：应用：(1)求第41页/共49页第四十二页，共49页。2023/2/272023/2/27（1）求热力学函数(hnsh)的变化值电池(dinch)效率：第42页/共49页第四十三页，共49页。2023/2/272023/2/27（2）判断氧化(ynghu)还原的方向已知：试判断下述反应向哪方进行？排成电池：设活度均为1正向进行。应用：(2)判断氧化还原(hun yun)的方向第43页/共49页第四十四页，共49页。2023/2/272023/2/27（3）求 (不稳定(wndng)应用：(3)求A.求AgCl(s)的设计电池，使电池反应为第44页/共49页第四十五页，共49页。2023/2/272023/2/27（3）求 (不稳定(wndng)B.求水的设计电池(dinch)，使电池(dinch)反应为：H2OH+OH-电池(dinch):第45页/共49页第四十六页，共49页。2023/2/272023/2/27（3）求 (不稳定(wndng)电池:第46页/共49页第四十七页，共49页。2023/2/272023/2/27（3）求 (不稳定(wndng)电池:第47页/共49页第四十八页，共49页。2023/2/272023/2/27（4）测离子平均(pngjn)活度系数g应用：(4)测离子平均(pngjn)活度系数g和m已知，测定(cdng)E，可求出g第48页/共49页第四十九页，共49页。