物理化学武汉大学可逆电池的电动势及其应用.pptx

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1、2023/2/16原电池(galvanic cell)阴极，正极：Cu电极阳极，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相同也可能不同。隔膜或盐桥第1页/共49页2023/2/16净反应：原电池电池的书面表示法电池的表示第2页/共49页2023/2/16原电池净反应：电池的书面表示法电池的表示第3页/共49页2023/2/16电池的书面表示法1.左边为负极，起氧化作用；右边为正极，起还原作用。2.“|”表示相界面，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

2、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2023/2/16电池基本性能电池电动势 电功 等温等压下对可逆电池第5页/共49页2023/2/16电化学与热力学的联系桥梁公式:第6页/共49页2023/2/168.18.1 可逆电池和可逆电极(电化学与热力学的联系(组成可逆电池的必要条件(可逆电极的类型第7页/共49页2023/2/16组成可逆电池的必要条件化学反应可逆 能量变化可逆原电池 电解池第8页/共49页2023/2/16组成可逆电池的必要条件净反应：原电池总反应：电解池阴极：阳极：第9页/共49页2023/2/16组成可逆电池的必要条件可逆电池还

3、应满足能量可逆要求：流过电池的电流无限小，I 0严格的说，可逆电池中不应有任何不可逆过程。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2023/2/16从化学反应设计电池(1)Zn(s)+H2SO4(aq)H2(p)+ZnSO4(aq)验证：(-)Zn(s)Zn2+2e-(+)2H+2e-H2(p)Zn(s)|ZnSO4|H2SO4|H2(p),Pt净反应：Zn(s)+2H+Zn2+H2(p)第11页/共49页2023/2/16从化学反应设计电池(2)AgCl(s)Ag+Cl-验证：(-)Ag(s)Ag+e-(+)AgCl(s)+e-Ag(s)+Cl-Ag(s)|Ag+(

4、aq)|HCl(aq)|AgCl(s)|Ag(s)净反应：AgCl(s)Ag+Cl-第12页/共49页2023/2/16可逆电极的类型a.金属与其阳离子组成的电极 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2023/2/16第一类电极及其反应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2023/2/16第一类电极及其反应电极 电极反应H+(a+)|H2(p),Pt2H

5、+(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2023/2/16第二类电极及其反应电极 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+)|Ag

6、2O(s)|Ag(s)Ag2O+2H+(a+)+2e-2Ag(s)+H2O第16页/共49页2023/2/16第三类电极及其反应电极 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2023/2/168.2 电动势的测定$对消法测电动势的原理$对消法测电动势的实验装置$标准电池$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2023/2/16对消法测定电动势的原理图调

7、节可变电阻，使得Ew在可变电阻上产生的电压与标准电池以及待测电池相同，于是通过电池的电流为0第19页/共49页2023/2/16对消法测电动势的实验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2023/2/16标准电池结构图电池反应：(-)Cd(Hg)Cd2+Hg(l)+2e-(+)Hg2SO4(s)+2e-2Hg(l)+SO42-净反应：Hg2SO4(s)+Cd(Hg)(a)+8/3H2OCdSO48/3H2O(s)+Hg(l)第21页/共49页2023/2/16标准电池结构图第22页/共49页2023/2/16问题 为什么在一定温度下，含Cd的质量百分数在514%之间，标准电

8、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2023/2/16标准电池电动势与温度的关系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

9、在1975年提出的公式为：通常要把标准电池恒温、恒湿存放，使电动势稳定。第24页/共49页2023/2/16可逆电池电动势的取号DrGm=-zEF自 发 电 池：DrGm0例如：Zn(s)|Zn2+|Cu2+|Cu(s)Zn(s)+Cu2+Zn2+Cu(s)DrGm0非自发电池：DrGm0，E0，E0第25页/共49页2023/2/168.3 可逆电池的热力学!E与活度a的关系!E$求平衡常数K$!E,DrGm和K$与电池反应的关系!从E及其温度系数求DrHm和DrSm第26页/共49页2023/2/16（1）从E和 求D DrHm和D DrSm第27页/共49页2023/2/16（2）E与a

10、(活度)的关系(-)H2(p1)2H+(aH+)+2e-(+)Cl2(p2)+2e-2Cl-(aCl-)净反应：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2023/2/16（2）E与a(活度)的关系（1）因为第29页/共49页2023/2/16（3 3）从 求 将两者从数值上联系在一起。第30页/共49页2023/2/16（4 4）E E ，和 与电池反应的关系例如：H2()+Cl2()2H+(a+)+2Cl-(a-)1/2H2()+1/2Cl2()H+(

11、a+)+Cl-(a-)（1）E，和 与电池反应的关系第31页/共49页2023/2/168.5 电极电势和电池电动势!标准氢电极!氢标还原电极电势!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2023/2/16标准氢电极规定标准氢电极用镀铂黑的金属铂导电第33页/共49页2023/2/16氢标还原电极电势E(Ox|Red)（-）（+）阳极，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2023/2/16电池电动势的计算方法一：查表求得利用电极Nernst方程电池电

12、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2023/2/16电池电动势的计算方法三：查表求得电池反应电池标准电动势：根据电池Nernst方程第36页/共49页2023/2/16例题求氢氧燃料电池在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2023/2/16例题也可以查表得：第38页/共49页2023/2/16例题由 求算电极反应为：(2)-(1)=(3)第39页/共49页2023/2/168.6 电动势测定的应用（2）判断氧化还原的方向（6）求离子迁移数（1）求热力学函数的变化值（4）测平均活度系数g（5

13、）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2023/2/16（1 1）求热力学函数的变化值测定：应用：(1)求第41页/共49页2023/2/16（1 1）求热力学函数的变化值电池效率：第42页/共49页2023/2/16（2 2）判断氧化还原的方向已知：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)判断氧化还原的方向第43页/共49页2023/2/16（3 3）求 (不稳定)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2023/2/16（3 3）求 (不稳定)B.求水的设计电池，使电池反应为：H2OH+OH-电池:第45页/共49页2023/2/16（3 3）求 (不稳定)电池:第46页/共49页2023/2/16（3 3）求 (不稳定)电池:第47页/共49页2023/2/16（4 4）测离子平均活度系数g g应用：(4)测离子平均活度系数g和m已知，测定E，可求出g第48页/共49页2023/2/16感谢您的观看！第49页/共49页