物理化学电化学基础学习教案.pptx
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1、会计学1物理化学物理化学(w l hu xu)电化学基础电化学基础第一页,共75页。电化学的用途电化学的用途电化学的用途电化学的用途(yngt)(yngt)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。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。电分析(fnx)生物电化学第2页/共75页第二页,共75页。7.1 7.1 7.1 7.1 电解质溶液电解质溶液电解质溶液电解质溶液(rngy)(rngy)(rngy)(rngy)活度和活度和活度和活度和活度系数活度系数活度系数活度系数平均(pngjn)活度和平均(png
2、jn)活度系数离子(lz)强度电解质溶液的导电原理导体的分类第3页/共75页第三页,共75页。导体导体(dot)(dot)的分类的分类又称电子导体,如金属、石墨等。1.第一类导体A.自由电子作定向(dn xin)移动而导电B.导电(dodin)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第4页/共75页第四页,共75页。A.正、负离子作反向移动(ydng)而导电B.导电过程中有化学反应(huxu fnyng)发生C.温度(wnd)升高,电阻下降D.导电总量分别由正、负离子分担 第二类导体第二类导体 又称离子导体,如电解质溶液、熔融电解质等。*固体电解质,如 等,也
3、属于离子导体,但它导电的机理比较复杂,导电能力不高,本章以讨论电解质水溶液为主。第5页/共75页第五页,共75页。离子迁移(qiny)方向:阴离子迁向正极-氧化(ynghu)反应阳离子迁向负极还原(hun yun)反应 电解质溶液的导电原理电解质溶液的导电原理Cl-H+HCl 阴阳第6页/共75页第六页,共75页。法拉第定律的文字法拉第定律的文字法拉第定律的文字法拉第定律的文字(wnz)(wnz)表述表述表述表述Faradays Law 在电极(dinj)界面上发生化学变化物质的质量 与通入的电量成正比。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(fshn
4、g)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。第7页/共75页第七页,共75页。取电子的得失(dsh)数为 z,当电极反应的进度为,通过电极的元电荷的物质的量z,通过的电荷数为z L。(L为阿佛伽德罗常数)因每个元电荷的电量为e,定义了法拉第常数法拉第定律法拉第定律法拉第定律法拉第定律(dngl(dngl)的数学表的数学表的数学表的数学表达式达式达式达式 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=Le=6.0221023 mol-11.602210-19 C =96484.6 Cmol-1 96500 Cmol-1第8页/共75页第八页,共75页。故
5、得到:通过电极的电量正比于电极的反应(fnyng)进度与电极反应(fnyng)电荷数的乘积Q=ZF 法拉第定律法拉第定律法拉第定律法拉第定律(dngl(dngl)的数学表的数学表的数学表的数学表达式达式达式达式第9页/共75页第九页,共75页。当溶液很稀,可看作是理想溶液,则:电解质离子电解质离子电解质离子电解质离子(lz)(lz)(lz)(lz)的平均活度和平均活度系数的平均活度和平均活度系数的平均活度和平均活度系数的平均活度和平均活度系数非电解质非电解质(fi din ji zh)(fi din ji zh)化学势表示式化学势表示式第10页/共75页第十页,共75页。电解质化学势的表达式电
6、解质化学势的表达式 强电解质溶解后全部(qunb)变成离子。为简单起见,先考虑1-1价电解质,如HCl,电解质离子的平均电解质离子的平均电解质离子的平均电解质离子的平均(pngjn)(pngjn)(pngjn)(pngjn)活度和平均活度和平均活度和平均活度和平均(pngjn)(pngjn)(pngjn)(pngjn)活度系数活度系数活度系数活度系数第11页/共75页第十一页,共75页。对任意(rny)价型电解质电解质离子电解质离子电解质离子电解质离子(lz)(lz)(lz)(lz)的平均活度和平均活度系数的平均活度和平均活度系数的平均活度和平均活度系数的平均活度和平均活度系数第12页/共75
7、页第十二页,共75页。定义(dngy):离子(lz)平均活度(mean activity of ions)离子(lz)平均活度系数(mean activity coefficient of ions)离子平均质量摩尔浓度(mean molality of ions)电解质离子的电解质离子的电解质离子的电解质离子的平均活度和平均活度系数平均活度和平均活度系数平均活度和平均活度系数平均活度和平均活度系数第13页/共75页第十三页,共75页。从电解质的 求对1-1价电解质电解质离子的平均电解质离子的平均电解质离子的平均电解质离子的平均(pngjn)(pngjn)(pngjn)(pngjn)活度和平均
8、活度和平均活度和平均活度和平均(pngjn)(pngjn)(pngjn)(pngjn)活度系数活度系数活度系数活度系数第14页/共75页第十四页,共75页。离子离子离子离子(lz)(lz)(lz)(lz)强度强度强度强度式中 是离子的真实浓度,若是弱电解质,应乘上电离度。的单位与 的单位相同。从大量实验事实看出,影响离子平均活度系数的主要因素是离子的浓度和价数,而且价数的影响更显著。1921年,Lewis提出了离子强度(ionic strength)的概念。当浓度用质量摩尔浓度表示时,离子强度 等于:Lewis电解质离子的平均电解质离子的平均(pngjn)(pngjn)活度和平均活度和平均(p
9、ngjn)(pngjn)活度系数活度系数第15页/共75页第十五页,共75页。德拜德拜德拜德拜-休克休克休克休克(xik)(xik)(xik)(xik)尔极限尔极限尔极限尔极限定律定律定律定律 德拜-休克尔根据离子氛的概念,并引入若干假定,推导出离子平均活度因子与离子强度的关系,称为德拜-休克尔极限定律。式中 是 i 离子的电荷,是离子强度,是与温度、溶剂有关的常数,水溶液的 值有表可查。电解质离子的平均电解质离子的平均(pngjn)(pngjn)活度和平均活度和平均(pngjn)(pngjn)活度系数活度系数第16页/共75页第十六页,共75页。电池的正极电池的正极电池的正极电池的正极(zh
10、ngj)(zhngj)、负极、负极、负极、负极电势低的极称为负极(fj),电子从负极(fj)流向正极。在原电池中负极(fj)是阳极;在电解池中负极(fj)是阴极。负极负极(fj)(fj):电势高的极称为正极,电流从正极流向负极。在原电池中正极是阴极;在电解池中正极是阳极。正极:正极:7.2 电池和电池电动势的构成电池和电池电动势的构成第17页/共75页第十七页,共75页。电池电池电池电池(dinch)(dinch)的阴极、阳的阴极、阳的阴极、阳的阴极、阳极极极极发生还原作用的极称为阴极(ynj),在原电池中,阴极(ynj)是正极;在电解池中,阴极(ynj)是负极。阴极阴极(ynj)(ynj):
11、(Cathode(Cathode)发生氧化作用的极称为阳极,在原电池中,阳极是负极;在电解池中,阳极是正极。阳极:(Anode)(Anode)第18页/共75页第十八页,共75页。原电池原电池原电池原电池(galvanic cellgalvanic cell)Cu2+2e-Cu(S)发生(fshng)还原作用,是阴极。电流由Cu极流向Zn极,Cu极电势高,是正极。CuCu电极电极(dinj)(dinj):Zn(S)Zn2+2e-发生氧化作用,是阳极(yngj)。电子由Zn极流向Cu极,Zn极电势低,是负极。ZnZn电极电极:第19页/共75页第十九页,共75页。电解池电解池电解池电解池(ele
12、ctrolytic cell)(electrolytic cell)与外电源正极相接,是正极。发生(fshng)氧化反应,是阳极。Cu(S)Cu2+2e-电极电极(dinj)(dinj):与外电源负极相接,是负极。发生还原反应(fnyng),是阴极。Cu2+2e-Cu(S)电极电极:第20页/共75页第二十页,共75页。1.左边(zu bian)为负极,起氧化作用;右边为正极,起还原作用。2.“|”表示相界面(jimin),有电势差存在。3.“|”表示盐桥,使液接电势(dinsh)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
13、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。电池的书面表示法电池的书面表示法例:Zn(s)|ZnSO4(a1)|CuSO4(a2)|Cu(s)第21页/共75页第二十一页,共75页。电池电池(dinch)电动势电动势的构成的构成电池(dinch)电动势应为各界面所产生的电势差的代数和。Zn(s)|ZnSO4(a1)|CuSO4(a2)|Cu(s)接触电势电极电势液体接界(ji ji)电势第22页/共75页第二十二页,共75页。接触电势由于金属材料的电子逸出功不同,导致其界面两侧(lin c)电子分布不均匀,产生电势差液体接界(ji ji)电势电解质溶液接触时,由于
14、离子的扩散速率不同,导致界面两侧(lin c)产生带相反电荷的双电层。难以测量和计算,利用盐桥可减低到忽略的程度当用盐桥消除了液体接界电势,忽略了金属间的接触电势当用盐桥消除了液体接界电势,忽略了金属间的接触电势后,电池电动势为正、负电极电势之差。即后,电池电动势为正、负电极电势之差。即E=E+-E-电极电势通常指金属与其周围的电解质溶液间,由于两相接触的电化学作用而产生的电势差第23页/共75页第二十三页,共75页。组成组成组成组成(z chn)(z chn)(z chn)(z chn)可逆电池的必要条件可逆电池的必要条件可逆电池的必要条件可逆电池的必要条件化学反应(huxu fnyng)可
15、逆 能量变化可逆原电池 电解池 7.3 7.3 可逆电池可逆电池(dinch)(dinch)热力学热力学第24页/共75页第二十四页,共75页。组成可逆电池的必要条件:1)电池放电时的反应与充电时的反应必须互为逆反应,即化学反应可逆;2)电池充、放电时,所通过(tnggu)的电流必须为无限小,使电池在接近平衡态的条件下工作。如果把放电时的能量全部储存起来,再用来充电,可使电池和环境全部恢复原状。即能量转变可逆。原电池净反应:电解池阴极:阳极:总反应:第25页/共75页第二十五页,共75页。可逆电池可逆电池可逆电池可逆电池(dinch)(dinch)的热力学的热力学的热力学的热力学!E与活度a的
16、关系(gun x)!E$求平衡常数K$!E,DrGm和K$与电池(dinch)反应的关系!从E及其温度系数求DrHm和DrSm第26页/共75页第二十六页,共75页。电化学与热力学的联系电化学与热力学的联系电化学与热力学的联系电化学与热力学的联系(linx)(linx)桥梁桥梁(qioling(qioling)公式公式:第27页/共75页第二十七页,共75页。E E与与与与a(a(活度活度活度活度)的关系的关系的关系的关系(gun x)-Nernst(gun x)-Nernst方方方方程程程程(-)H2(p1)2H+(aH+)+2e-(+)Cl2(p2)+2e-2Cl-(aCl-)净反应(fn
17、yng):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75页第二十八页,共75页。(1)因为因为(yn wi)(yn wi)E E与与与与a(a(活度活度活度活度)的关系的关系的关系的关系(gun x)-Nernst(gun x)-Nernst方程方程方程方程第29页/共75页第二十九页,共75页。(2)两种写法(xif),结果相同。但要记住:E E与与与与a(a(活度活度活度活度)的关系的关系的关系的关系(gun x)-Nernst(gun x)-Nernst方
18、程方程方程方程第30页/共75页第三十页,共75页。与 所处的状态不同,处于标准态,处于平衡态,只是 将两者从数值上联系在一起。利用(lyng)电池的标准电动势计算平衡常数第31页/共75页第三十一页,共75页。例如:H2()+Cl2()2H+(a+)+2Cl-(a-)1/2H2()+1/2Cl2()H+(a+)+Cl-(a-)电动势电动势E、平衡常数与电池、平衡常数与电池(dinch)反应的关系反应的关系第32页/共75页第三十二页,共75页。电池电池(dinch)电动势与电池电动势与电池(dinch)反应热力反应热力学函数的关系学函数的关系第33页/共75页第三十三页,共75页。可逆电极可
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