电化学与金属腐蚀省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

下一页下一页第第4章章电化学与金属腐蚀电化学与金属腐蚀ElectrochemistryandMetallicCorrosion教学目标及重点、难点教学目标及重点、难点4.1原电池原电池4.2电极电势电极电势4.3电动势及电极电势在化电动势及电极电势在化学上应用学上应用4.4化学电源化学电源4.5电解电解4.6金属腐蚀及预防金属腐蚀及预防习题习题第1页北京中国地质大学化学教研室2教学目标：教学目标：(1)了解原电池组成，掌握原电池图式表示方法。了解原电池组成，掌握原电池图式表示方法。(2)掌握电极电势概念，学会利用能斯特方程进行相关计算。掌握电极电势概念，学会利用能斯特方程进行相关计算。(3)能用电极电势判断氧化还原反应进行方向和程度，判断氧能用电极电势判断氧化还原反应进行方向和程度，判断氧化剂和还原剂相对强弱。化剂和还原剂相对强弱。(4)了解反应吉布斯函数变与原电池电动势关系；会利用原电了解反应吉布斯函数变与原电池电动势关系；会利用原电池反应标准电动势计算氧化还原反应平衡常数。池反应标准电动势计算氧化还原反应平衡常数。(5)了解化学电源、电解原理及应用。了解化学电源、电解原理及应用。(6)了解金属电化学腐蚀原理及预防方法。了解金属电化学腐蚀原理及预防方法。Lecture13第2页北京中国地质大学化学教研室3重点：重点：(1)电极反应式，电池反应式，电池图式。电极反应式，电池反应式，电池图式。(2)能斯特方程及其相关计算。能斯特方程及其相关计算。(3)利用电极电势判断氧化还原反应进行方向和程利用电极电势判断氧化还原反应进行方向和程度，判断氧化剂和还原剂相对强弱，计算平衡度，判断氧化剂和还原剂相对强弱，计算平衡常数。常数。(4)电解基本原理及电化学腐蚀原理电解基本原理及电化学腐蚀原理。第3页北京中国地质大学化学教研室4难点：难点：(1)电池图式书写。电池图式书写。(2)应用能斯特方程进行相关计算。应用能斯特方程进行相关计算。(3)极化概念，电解过程中两极电解产物判断。极化概念，电解过程中两极电解产物判断。第4页北京中国地质大学化学教研室51.原电池组成原电池组成 4.1原电池原电池盐桥：盐桥：补充电荷、维持电荷补充电荷、维持电荷平衡平衡,内含内含KCl或或KNO3溶液，溶液，可用琼脂溶胶或多孔塞保护，可用琼脂溶胶或多孔塞保护，使使KCl或或KNO3溶液不会自动溶液不会自动流出。流出。负极负极：电势低，如电势低，如Zn电极。电极。Zn=Zn2+2e-正极正极：电势高，如电势高，如Cu电极。电极。Cu2+2e-=CuZn+Cu2+=Zn2+Cu原电池：原电池：把氧化还原反应中电子转移直接转变为电能装把氧化还原反应中电子转移直接转变为电能装置。置。第5页北京中国地质大学化学教研室6两个电极表面分别发两个电极表面分别发生氧化反应和还原反生氧化反应和还原反应应；电子流过外电路电子流过外电路；离子流过电解质溶液离子流过电解质溶液。工作状态化学电池同时发生三个过程工作状态化学电池同时发生三个过程：Zn+Cu2+=Zn2+Cu观看动画铜、锌原电池观看动画铜、锌原电池第6页北京中国地质大学化学教研室7氧化还原电对：氧化还原电对：用用“氧化态氧化态/还原态还原态”表示。表示。每个半反应都含有同一元素两种不一样每个半反应都含有同一元素两种不一样氧化数氧化数(价态价态)物物质。质。氧化数低物质氧化数低物质(可做还原剂可做还原剂)称为还原态。称为还原态。氧化数高物质氧化数高物质(可做氧化剂可做氧化剂)称为氧化态。称为氧化态。比如：比如：Zn2+/Zn，Cr2O72-/Cr3+，Cl2/Cl-2.原电池半反应式和图式原电池半反应式和图式电池反应：电池反应：完整氧化还原反应完整氧化还原反应(由两个半反应组成由两个半反应组成)。半反应：半反应：正极反应正极反应(还原反应还原反应)；负极反应负极反应(氧化反应氧化反应)。第7页北京中国地质大学化学教研室8任一自发氧化还原反应都能够组成一个原电池。任一自发氧化还原反应都能够组成一个原电池。原电池装置可用原电池装置可用图式图式表示表示。(1)负极在左，正极在右，盐桥在中，半电池中两相界负极在左，正极在右，盐桥在中，半电池中两相界面以面以“|”表示，盐桥以表示，盐桥以“”表示。表示。原电池原电池图式要求图式要求:(2)同相不一样物种用同相不一样物种用“,”分开，溶液或气体要注明分开，溶液或气体要注明ci 或或pi。(3)纯液体、固体和气体写在惰性电极一边，用纯液体、固体和气体写在惰性电极一边，用“,”或或“|”分开。分开。例：例：(-)Zn|Zn2+(c1)Cu2+(c2)|Cu(+)第8页北京中国地质大学化学教研室9电极种类及其表示式：电极种类及其表示式：电极是用电极反应所包括电对电极是用电极反应所包括电对(和辅助电极和辅助电极)表示。表示。金属及其金属盐电极金属及其金属盐电极:Zn2+/Zn；ZnZn2+(c)氧化还原电极氧化还原电极:Fe3+/Fe2+,PtFe3+(c1),Fe2+(c2)Cr2O72-/Cr3+,PtCr2O72-(c1),Cr3+(c2)非金属及非金属离子电极非金属及非金属离子电极:H+/H2,PtH2(p)H+(c)金属、金属难溶盐、难溶盐阴离子电极：金属、金属难溶盐、难溶盐阴离子电极：AgCl/Ag，AgAgClCl-(c)第9页北京中国地质大学化学教研室10例例:用图式表示依据以下反应设计原电池用图式表示依据以下反应设计原电池:(1)5Fe2+8H+MnO4-=Mn2+5Fe3+4H2O(2)2Ag(s)+2H+2I-=2AgI(s)+H2(g)(1)(-)PtFe3+(c1),Fe2+(c2)MnO4-(c3),Mn2+(c4),H+(c5)Pt(+)(2)(-)AgAgII-(c1)H+(c2)H2(p)Pt(+)解解:第10页北京中国地质大学化学教研室113.浓差电池浓差电池由电对组分浓度不一样同种电对所组成。由电对组分浓度不一样同种电对所组成。(-)CuCu2+(c1)Cu2+(c2)Cu(+)c2c1(-)PtCl2(p)Cl-(c1)Cl-(c2)Cl2(p)Pt(+)c2p1(-)PtCl2(p1)Cl-(c)Cl-(c)Cl2(p2)Pt(+)第11页北京中国地质大学化学教研室12电势差是产生电流必要条件。电势差是产生电流必要条件。原电池中每个电极电势叫做电极电势原电池中每个电极电势叫做电极电势(用用“”表示表示)。电极电势绝对值当前还无法测定。电极电势绝对值当前还无法测定。4.2电极电势电极电势(ElectrodePotential)第12页北京中国地质大学化学教研室13标标 准准 氢氢 电电 极极：由由 覆覆 盖盖 有有 极极 细细 而而 蓬蓬 松松 铂铂 黑黑 铂铂 片片 和和 含含 有有 H+离子溶液所组成气体电极。离子溶液所组成气体电极。标准氢电极条件要求：标准氢电极条件要求：(1)通入通入H2压力为压力为100kPa(2)溶液中溶液中c(H+)=1moldm-3电极符号：电极符号：Pt|H2(100kPa)|H+(1moldm-3)标准电极电势：标准电极电势：(H+/H2)=0.000V1.标准氢电极标准氢电极(-)标准氢电极标准氢电极待定电极待定电极(+)第13页北京中国地质大学化学教研室14氢电极结构简图氢电极结构简图第14页北京中国地质大学化学教研室15被用来代替标准氢电极做对比参考电被用来代替标准氢电极做对比参考电极，称为参比电极。极，称为参比电极。易于制备，使用方便，电极电势稳定。易于制备，使用方便，电极电势稳定。比如：比如：银银-氯化银电极氯化银电极:AgAgClCl-(c)甘汞电极甘汞电极:PtHg(l)Hg2Cl2Cl-(Cl-为饱和、或为饱和、或1moldm-3、或、或0.1moldm-3KCl溶液溶液)2.参比电极参比电极甘汞电极示意图甘汞电极示意图 第15页北京中国地质大学化学教研室16电极电势与电极反应中物质浓度或分压相关。电极电势与电极反应中物质浓度或分压相关。电极反应中各物质都处于标准状态时电极电势叫做该电极电极反应中各物质都处于标准状态时电极电势叫做该电极标准电极电势。标准电极电势。用符号用符号 (氧化态氧化态/还原态还原态)表示，在附录中可查。表示，在附录中可查。如如:(Zn2+/Zn);(Cu2+/Cu);(O2/OH);(MnO4/Mn2+);(Cl2/Cl)。3.标准电极电势标准电极电势 第16页北京中国地质大学化学教研室17 G：反应推进力：反应推进力原电池电动势原电池电动势E：电流推进力电流推进力热力学结论：热力学结论：G=w=-Q E G =-Q E =-nF E G =-nF E E：原电池标准电动势；原电池标准电动势；n：1mol反应中发生转移电子物质量；反应中发生转移电子物质量；F：法拉第常数法拉第常数(1mol电子电量，电子电量，96485Cmol-1)。4.原电池电动势与电池反应摩尔吉布斯函数变原电池电动势与电池反应摩尔吉布斯函数变第17页北京中国地质大学化学教研室18(1)电池反应能斯特方程式电池反应能斯特方程式aA(aq)+bB(aq)=dD(aq)+gG(aq)5.能斯特方程式能斯特方程式(NernstEquation)即：即：-nFE=-nFE +RTlnQ能斯特方能斯特方程式程式第18页北京中国地质大学化学教研室19对于任意给定电极，电极反应通式为：对于任意给定电极，电极反应通式为：离子浓度对电极电势影响，可从热力学推导而得以下结论离子浓度对电极电势影响，可从热力学推导而得以下结论:a(氧化态氧化态)+)+ne e-b b(还原态还原态)T=298.15K时时:(2)电极电势能斯特方程式电极电势能斯特方程式浓度与电动势关系式、浓度与电极电势关系式统称为能斯特浓度与电动势关系式、浓度与电极电势关系式统称为能斯特方程式。方程式。第19页北京中国地质大学化学教研室20 a氧氧或或b还还皆以半反应中各物质化学计量数为指数。皆以半反应中各物质化学计量数为指数。电极反应中某物质若是气体，则用相对分压电极反应中某物质若是气体，则用相对分压p/p 表示。表示。n 为半反应中得失电子数。为半反应中得失电子数。在能斯特方程式中：在能斯特方程式中：第20页北京中国地质大学化学教研室21例例计算计算OH-浓度为浓度为0.100moldm-3时，氧电极电势时，氧电极电势(O2/OH-)。已知已知：p(O2)=101.325kPa，T=298.15K。解解：从附录从附录10中可查得氧标准电极电势中可查得氧标准电极电势：(O2/OH-)=0.401V O2(g)+2H2O+4e-4OH 当当c(OH-)=0.100moldm-3时，氧电极电势为时，氧电极电势为=0.460V 第21页北京中国地质大学化学教研室22若把电极反应式写成若把电极反应式写成O2+H2O+2e-=2OH-,能够经过计算能够经过计算给予说明对电极电势数值并无影响。给予说明对电极电势数值并无影响。经计算，结果不变。这说明经计算，结果不变。这说明只要是已配平电极反应，反应只要是已配平电极反应，反应式中各物质化学计量数各乘以一定倍数，对电极电势数值式中各物质化学计量数各乘以一定倍数，对电极电势数值并无影响。并无影响。依据电极反应式，此时电极电势计算式为依据电极反应式，此时电极电势计算式为:第22页北京中国地质大学化学教研室23解：解：半反应式：半反应式：Cr2O72-+14H+6e-=2Cr3+7H2O例例计算当计算当pH=5.00，c(Cr2O72-)=0.0100moldm-3，c(Cr3+)=1.0010-6moldm-3时，重铬酸钾溶液中时，重铬酸钾溶液中(Cr2O72-/Cr3+)值。值。说明介质酸碱性对含氧酸盐氧化性影响较大。说明介质酸碱性对含氧酸盐氧化性影响较大。=0.639V第23页北京中国地质大学化学教研室244.3电动势与电极电势在化学上应用电动势与电极电势在化学上应用 越大，氧化态物质氧化性越强，还越大，氧化态物质氧化性越强，还原态物质还原态物质还原性越弱。原性越弱。越小，氧化态物质氧化性越弱，还原态物质还越小，氧化态物质氧化性越弱，还原态物质还原性越强。原性越强。注意注意:比较氧化性要在氧化态物质之间进行比较氧化性要在氧化态物质之间进行;比较还原性要在还原态物质之间进行。比较还原性要在还原态物质之间进行。1.比较氧化剂和还原剂相对强弱比较氧化剂和还原剂相对强弱Lecture14第24页北京中国地质大学化学教研室25下面电对氧化态可以氧化上面电对还原态，有人把它叫作对角线规则。氧化态氧化态+ne-=还原态还原态/v氧氧化化态态氧氧化化性性增增强强还还原原态态还还原原性性增增强强-3.045-0.7630.0000.3371.362.87Li+e-LiZn2+2e-Zn2H+2e-H2Cu2+2e-CuCl2+2e-2Cl-F2+2e-2F-第25页北京中国地质大学化学教研室26 例例11以以下下三三个个电电对对中中，在在标标准准状状态态下下哪哪个个是是最最强强氧氧化化剂剂？若若其其中中MnO4(KMnO4)改改为为在在pH=5.00条条件件下下，它们氧化性相对强弱次序将发生怎样改变？它们氧化性相对强弱次序将发生怎样改变？(MnO4/Mn2+)+1.50V(Br2/Br)+1.066V(I2/I)+0.5355V第26页北京中国地质大学化学教研室27解：解：(1)(MnO4/Mn2+)(Br2/Br)(I2/I)所以，最所以，最强强氧化氧化剂剂是是MnO4(KMnO4)，而最，而最强强还还原原剂剂是是I。（2）当当pH=5.00时，时，c(H+)=1.010-5moldm-3电电极极反反应应：MnO4(aq)+8H(aq)+5 e-=Mn2(aq)+4H2O(l)(Br2/Br)(MnO4/Mn2+)(I2/I)所以，所以，pH=5.00时，最强氧化剂是时，最强氧化剂是Br2，MnO4-次之。次之。第27页北京中国地质大学化学教研室28解：解：Cr2O72-+14H+6e=2Cr3+7H2OCl2+2e=Cl-，H2O2+2H+2e=2H2O因为因为(a)和和(c)有有H+参加，所以，当增大溶液酸度时参加，所以，当增大溶液酸度时,K2Cr2O7和和H2O2氧化能力增强。氧化能力增强。例例2当增大溶液酸度时当增大溶液酸度时,以下氧化剂中氧化能力增强有以下氧化剂中氧化能力增强有:(a)K2Cr2O7(b)Cl2(c)H2O2第28页北京中国地质大学化学教研室29例例3以下各组物质在标准状态下能够共存是：以下各组物质在标准状态下能够共存是：(A)Fe3+，Cu(B)Fe3+，Br2(C)Fe3+，Sn2+(D)Fe2+，H2O2答案答案：(B)第29页北京中国地质大学化学教研室30 反应自发进行条件为反应自发进行条件为:G=-nFE 0 (正正)(负负)(氧化剂电对氧化剂电对)(还原剂电对还原剂电对)只有只有大氧化态物质和大氧化态物质和小还原态物质方可反应。小还原态物质方可反应。2.判断氧化还原反应进行方向判断氧化还原反应进行方向第30页北京中国地质大学化学教研室31注意：注意：(1)当当 (正正)(负负)0.2V，而而且且无无H或或OH-参参加加时时，即即使使不不是是标标准准条条件件下下，也也可可直直接接用用标标准准电电极极电电势势值值判判断断氧氧化还原反应进行方向。化还原反应进行方向。（依据：浓度值对其影响不大，不会使（依据：浓度值对其影响不大，不会使E改变正、负号）改变正、负号）(2)当当有有H或或OH-参参加加反反应应或或两两电电极极差差值值不不大大时时，必必须须经经过过能能斯斯特特方方程程式式计计算算出出实实际际E（或或(正正)，(负负)），然然后后再比再比较较。第31页北京中国地质大学化学教研室32解：解：查表知查表知 (I2/I-)=0.5355V，(Fe3+/Fe2+)=0.771V(Br2/Br-)=1.066V，(Cr2O72-/Cr3+)=1.232V(Cl2/Cl-)=1.358V，(H2O2/H2O)=1.776V例例4要选择一个氧化剂能使含有要选择一个氧化剂能使含有Cl-、Br-、I-混合溶液中混合溶液中I-氧氧化成化成I2，而，而Cl-、Br-不发生改变。试依据不发生改变。试依据 数据判断数据判断H2O2、Cr2O72-、和、和Fe3+三种氧化剂中哪种适当？三种氧化剂中哪种适当？选择氧化剂选择氧化剂氧化还原电正确氧化还原电正确 应小于应小于(Br2/Br-)，大于，大于(I2/I-)，所以，所以，应选应选Fe3+。第32页北京中国地质大学化学教研室333.氧化还原反应进行程度衡量氧化还原反应进行程度衡量反应平衡常数（反应平衡常数（T298.15K）只与标准电动势相关，而与）只与标准电动势相关，而与溶液浓度无关。溶液浓度无关。当反应达平衡时当反应达平衡时,Q=K G=-nFE=0 即即E=0 第33页北京中国地质大学化学教研室34解：解：Cu+2Ag+(aq)=Cu2+(aq)+2Ag K =c(Cu2+)/c2(Ag+)=(2.9410-16)-1=3.41015E =(0.05917/n)lgK=(Ag+/Ag)(Cu2+/Cu)(0.05917/2）lg(3.41015)=0.7996 (Cu2+/Cu)(Cu2+/Cu)=0.3401V例例5 已知已知298.15K下，反应下，反应Cu+2Ag+(aq)=Cu2+(aq)+2Ag,平平衡时衡时c2(Ag+)/c(Cu2+)=2.9410-16,(Ag+/Ag)=0.7996V，H=-146.39kJmol-1。求：求：(Cu2+/Cu)=？S=？第34页北京中国地质大学化学教研室35G =-nFE =-296485（0.7996-0.3401）=-88669（Jmol-1）=-88.67kJmol-1(或或G =-RTln K )S =(H G)/T =(-146.39)-(-88.67)/298.15=-0.1936 kJK-1mol-1第35页北京中国地质大学化学教研室36解解：E (Ag+/Ag)(Cu2+/Cu)0.79960.34190.4577V例例6已知已知:(Ag+/Ag)=0.7996V，(Cu2+/Cu)=0.3419V。计算以下反应在计算以下反应在298.15K时标准平衡常时标准平衡常K。Cu(s)+2Ag+(aq)Cu2+(aq)+2Ag(s)K 3.01015第36页北京中国地质大学化学教研室37正、负极标准电势差值越大，平衡常数也就越大，正、负极标准电势差值越大，平衡常数也就越大，反应进行得越彻底。反应进行得越彻底。所以，能够直接利用所以，能够直接利用E 大大小来预计反应进行程度。小来预计反应进行程度。普通来说普通来说:如如n=1，当，当E 0.3V时，时，K 105；如如n=2，当，当E 0.2V时，时，K 106。判据：判据：E 0.3V，反应完全，反应完全。第37页北京中国地质大学化学教研室38例例7反应反应3A2+2B=3A+2B3+在标准状态下电池电动势在标准状态下电池电动势为为1.8V，某浓度时，某浓度时,反应电池电动势为反应电池电动势为1.6V，则此时该反，则此时该反应应lgK 为为:(A)(31.8)/0.05917(B)(31.6)/0.05917(C)(61.6)/0.05917(D)(61.8)/0.05917答案：答案：(D)第38页北京中国地质大学化学教研室39解：解：2Ag(s)+H+(aq)+I(aq)=2AgI(s)+H2(g)负极：负极：Ag(s)+I(aq)=AgI(s)+e-正极：正极：2H+(aq)+2e-=H2(g)把氧化还原反应设计成原电池进行平衡常数计算把氧化还原反应设计成原电池进行平衡常数计算:例例8 已知已知 (AgI/Ag)=0.15V，试求反应试求反应2Ag(s)+2HI(aq)=2AgI(s)+H2(g)平衡常数。平衡常数。K=1.2105E=(H+/H2)(AgI/Ag)0(0.15)=0.15V第39页北京中国地质大学化学教研室40例例9已知：已知：2Ag(s)+2H+(aq)+2Cl-(aq)=2AgCl(s)+H2(g)，试试问银问银能否溶于能否溶于1.0moldm-3HCl溶液中？溶液中？（(Ag+/Ag)=0.7996V，Ks(AgCl)=1.77 10-10）标准状态下，反应进行方向用标准状态下，反应进行方向用E 正负进行判断。正负进行判断。(H+/H2)=0.000V (AgCl/Ag)？解：解：2Ag(s)+2H+(aq)+2Cl-(aq)=2AgCl(s)+H2(g)设计设计原原电电池：池：正极：正极：2H+(aq)+2e-H2(g)负负极：极：2Ag(s)+2Cl-(aq)=2AgCl(s)+2e-第40页北京中国地质大学化学教研室41E (H+/H2)(AgCl/Ag)0.0000.22260.2226V0Ag+(aq)+e-=Ag(s)，(Ag+/Ag)=0.7996VAg+(aq)+Cl-(aq)=AgCl(s)c(Cl-)=1.0moldm-3时时(Ag+/Ag)=(Ag+/Ag)+0.05917lgc(Ag+)=(Ag+/Ag)+0.05917lgKs(AgCl)/c(Cl-)=0.7996+0.05917lg(1.77 10-10)=0.2226V所以，所以，银不能溶于银不能溶于HCl溶液中。溶液中。即即 (AgCl/Ag)0.2226V第41页北京中国地质大学化学教研室42解：解：Ag+Cl+Ag=AgCl+Ag例例10求反应求反应Ag+Cl=AgCl(s)平衡常数平衡常数K及及AgCl溶度积溶度积Ks。（已知（已知 (Ag+/Ag)=0.7996V，(AgCl/Ag)=0.2223V）把非氧化还原反应设计成原电池进行平衡常数计算把非氧化还原反应设计成原电池进行平衡常数计算:正极：正极：Ag+e-=Ag负极：负极：Ag+Cl=AgCl+e-E=(Ag+/Ag)(AgCl/Ag)=0.79960.22230.5773V第42页北京中国地质大学化学教研室43化学电源化学电源:借自发氧化还原反应，将化学能直接转变为电借自发氧化还原反应，将化学能直接转变为电能装置叫化学电源。能装置叫化学电源。化学电源特点：化学电源特点：（1）供给电源比较稳定可靠；）供给电源比较稳定可靠；（2）便于移动。）便于移动。化学电源是电化学工业一个主要部分。化学电源是电化学工业一个主要部分。惯用化学电源主要有三类：酸性电池、碱性电池和燃料电惯用化学电源主要有三类：酸性电池、碱性电池和燃料电池池(连续电池连续电池)。按放电后能否充电，分为：一次电池、二次电池。按放电后能否充电，分为：一次电池、二次电池。4.4化学电源化学电源(自学自学)第43页北京中国地质大学化学教研室441.酸性电池酸性电池酸性电池酸性电池:电解质是酸性电池称为酸性电池。电解质是酸性电池称为酸性电池。惯用酸性电池有锌锰干电池、铅蓄电池。惯用酸性电池有锌锰干电池、铅蓄电池。(1)锌锰干电池锌锰干电池锌锰干电池就是我们日常生活中惯用直流电池锌锰干电池就是我们日常生活中惯用直流电池（1、2、4、5、7等各种型号电池，但不论型号等各种型号电池，但不论型号大小，其电动势值都为大小，其电动势值都为1.5V）第44页北京中国地质大学化学教研室45锌锰干电池结构锌锰干电池结构 圆柱外层是锌片，底圆柱外层是锌片，底层是金属片与锌片成层是金属片与锌片成为连续导体，上顶层为连续导体，上顶层是绝缘材料将石墨棒是绝缘材料将石墨棒与锌片绝缘，电池中与锌片绝缘，电池中心是石墨棒，石墨棒心是石墨棒，石墨棒与锌片间物质是与锌片间物质是ZnCl2、NH4Cl、MnO2、H2O物质。物质。锌锌-锰干电池示意图锰干电池示意图第45页北京中国地质大学化学教研室46锌锰干电池图式及电极反应锌锰干电池图式及电极反应锌锰干电池中正极是锌锰干电池中正极是MnO2和和C，负极是锌片。，负极是锌片。原电池图式原电池图式：(-)Zn ZnCl2，NH4Cl(糊状糊状)MnO2 C(+)(这里没用这里没用 是因为此原电池中无盐桥存在是因为此原电池中无盐桥存在)电极反应电极反应:负极负极:Zn(s)=Zn2(aq)2e-正极正极:2MnO2(s)+2NH4+(aq)+2e-=Mn2O3(s)2NH3(aq)+H2O(l)电池反应：电池反应：Zn(s)+2MnO2(s)2NH4+(aq)Mn2O3(s)2NH3(aq)H2O(l)+Zn2+(aq)第46页北京中国地质大学化学教研室47锌锰干电池特点：锌锰干电池特点：优点：携带方便、电源稳定。优点：携带方便、电源稳定。缺点：电池易极化（氨气，后面讲），造成电缺点：电池易极化（氨气，后面讲），造成电动势下降；电池放电后不能恢复（不可逆性），动势下降；电池放电后不能恢复（不可逆性），称为称为一次电池一次电池。第47页北京中国地质大学化学教研室48(2)铅蓄电池铅蓄电池铅蓄电池是一个惯用酸铅蓄电池是一个惯用酸性蓄电池。性蓄电池。铅蓄电池结构铅蓄电池结构铅蓄电池结构相当于一铅蓄电池结构相当于一个金属盒子，里面放了个金属盒子，里面放了许多铅锑合金格板，其许多铅锑合金格板，其中一组隔板间用中一组隔板间用PbO2填填充，作为电池正极，另充，作为电池正极，另一组用海绵状金属铅填一组用海绵状金属铅填充作为负极，交替着排充作为负极，交替着排放，并用导线连接，一放，并用导线连接，一组为正极，另一组为负组为正极，另一组为负极，硫酸溶液密度极，硫酸溶液密度1.251.3gcm-3。铅蓄电池示意图铅蓄电池示意图第48页北京中国地质大学化学教研室49铅蓄电池图式及电极反应铅蓄电池图式及电极反应原电池图式：原电池图式：(-)Pb H2SO4(1.251.3gcm-3)PbO2(+)电极反应：电极反应：负极：负极：Pb(s)SO42-(aq)=PbSO4(s)+2e-正极：正极：PbO2(s)SO42-(aq)+4H(aq)+2e-=PbSO4(s)+2H2O(l)电池反应电池反应：PbO2(s)+Pb(s)H2SO4(aq)=2PbSO4(s)2H2O(l)充电反应：充电反应：为上述反应逆反应。为上述反应逆反应。第49页北京中国地质大学化学教研室50铅蓄电池特点：铅蓄电池特点：(a)铅蓄电池充放电可逆性好，称为二次电池（利用外界铅蓄电池充放电可逆性好，称为二次电池（利用外界直流电源进行充电使氧化还原反应逆向进行，使两极直流电源进行充电使氧化还原反应逆向进行，使两极恢复原状）；恢复原状）；(b)稳定可靠，温度和电流密度适应性强，成本低；稳定可靠，温度和电流密度适应性强，成本低；(c)设备容积大，粗笨，携带不方便，电解废液污染环境。设备容积大，粗笨，携带不方便，电解废液污染环境。主要用以汽车、搬运车辆、潜挺、变电站等备用电源。主要用以汽车、搬运车辆、潜挺、变电站等备用电源。第50页北京中国地质大学化学教研室512.碱性电池碱性电池常见碱性电池有镉镍电池、锌汞电池、锂铬酸常见碱性电池有镉镍电池、锌汞电池、锂铬酸银电池等。银电池等。(1)镉镍电池镉镍电池镉镍电池是一个惯用碱性蓄电池。镉镍电池是一个惯用碱性蓄电池。镉镍电池结构：镉镍电池结构与前蓄电池类似。镉镍电池结构：镉镍电池结构与前蓄电池类似。（不再叙述）（不再叙述）第51页北京中国地质大学化学教研室52镉镍电池图式和电极反应镉镍电池图式和电极反应原电池图式：原电池图式：(-)Cd KOH(1.191.21gcm-3)NiO(OH)C(+)电极反应：电极反应：负极：负极：Cd(s)+2OH-(aq)Cd(OH)2(s)+2e-正极正极:2NiO(OH)2H2O(l)+2e-2Ni(OH)2(s)+2OH-(aq)电池反应电池反应：Cd(s)+2NiO(OH)2H2O(l)2Ni(OH)2(s)Cd(OH)2(s)充电反应：充电反应：为上述反应逆反应。为上述反应逆反应。第52页北京中国地质大学化学教研室53镉镍电池特点：镉镍电池特点：(a)内部电阻小，电压平稳。内部电阻小，电压平稳。(b)镉镍电池充放电可逆性好，重复充放电次数多，使用镉镍电池充放电可逆性好，重复充放电次数多，使用寿命长。寿命长。(c)能在低温环境下工作。能在低温环境下工作。惯用于航天部门、电子计算器和收录机电源。惯用于航天部门、电子计算器和收录机电源。第53页北京中国地质大学化学教研室54(2)锌汞电池锌汞电池惯用纽扣电池。惯用纽扣电池。锌汞电池结构：锌汞电池结构：图图4.5第54页北京中国地质大学化学教研室55锌汞电池图式和电极反应锌汞电池图式和电极反应电池图式电池图式:(-)Zn(Hg)KOH(糊状糊状,含饱和含饱和ZnO)HgO C(+)电极反应：电极反应：负极：负极：Zn(s)+4OH-=Zn(OH)42-+2e-正极正极:HgO(s)+H2O(l)+2e-Hg(l)+2OH-电池反应：电池反应：Zn(s)+2KOH+HgO(s)+H2O(l)K2Zn(OH)4+Hg(l)锌汞电池特点：锌汞电池特点：工作电压稳定，整个放电过程中电压改变不大，保持在工作电压稳定，整个放电过程中电压改变不大，保持在1.34V左右；可制成相当精小形状电池（纽扣电池），左右；可制成相当精小形状电池（纽扣电池），使用携带方便使用携带方便。第55页北京中国地质大学化学教研室563.锂铬酸银电池锂铬酸银电池组组成成：锂锂为为负负极极，铬铬酸酸银银作作为为正正极极，电电解解质质为为含含有有高高氯氯酸酸锂（锂（LiClO4）碳酸丙烯酯。）碳酸丙烯酯。原电池图式：原电池图式：(-)Li LiClO4(C1)碳酸丙烯酯碳酸丙烯酯 Ag2CrO4 Ag(+)电极反应：电极反应：负极：负极：2Li(s)=2Li+(aq）+2e-正极：正极：Ag2CrO4(s)+2e-+2Li+(aq）Ag(s)+Li2CrO4(s)电池反应：电池反应：Ag2CrO4(s)+2Li(s）Li2CrO4(s)2Ag(s)特点：特点：使用有机使用有机电电解解质质新型新型电电池。其特点池。其特点为单为单位体位体积积所含所含能量高能量高(2.8-3.6V)，体，体积积小，小，稳稳定性好。普通用于微定性好。普通用于微电电流流工作工作仪仪器器设备设备中。中。第56页北京中国地质大学化学教研室574.燃料电池燃料电池 燃料电池是用燃料（氢气、甲烷、烃、煤气、甲醇、天燃料电池是用燃料（氢气、甲烷、烃、煤气、甲醇、天然气等）作为负极反应物质，以氧化剂（氧气、空气等）然气等）作为负极反应物质，以氧化剂（氧气、空气等）作为正极反应物质，在电池内发生氧化还原反应，将燃作为正极反应物质，在电池内发生氧化还原反应，将燃烧化学能转化为电能转置。烧化学能转化为电能转置。燃料电池是一个燃料电池是一个连续电池连续电池，是名符其实把能源中燃料燃，是名符其实把能源中燃料燃烧反应化学能直接转化为电能烧反应化学能直接转化为电能“能量转换机器能量转换机器”。能量。能量转换率很高，理论上可达转换率很高，理论上可达100100。实际转化率约为。实际转化率约为70%70%8080。第57页北京中国地质大学化学教研室58原电池图式：原电池图式：(-)C H2 KOH(aq)O2 C(+)电极反应：电极反应：负极：负极：2H2(g)+4OH(aq)=4H2O(l)4e正极正极:O2(g)2H2O(l)4e=4OH(aq)电池反应：电池反应：2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)特点：特点：其其装装置置和和工工作作方方式式与与前前几几个个电电池池不不一一样样，氧氧化化剂剂和和还还原原剂是不停输入，电极产物不停输出；剂是不停输入，电极产物不停输出；电电极极产产物物为为水，不水，不污污染染环环境，是一境，是一类环类环境保境保护护型、型、洁净洁净型型电电源。源。氢氧燃料电池氢氧燃料电池:第58页北京中国地质大学化学教研室59在一次电池和二次电池中，含有汞、锰、镉、铅、锌等重在一次电池和二次电池中，含有汞、锰、镉、铅、锌等重金属，使用后假如随意丢弃，就会造成环境污染。金属，使用后假如随意丢弃，就会造成环境污染。研究无研究无污染电池和无害化处理是当前亟需处理两个方面。污染电池和无害化处理是当前亟需处理两个方面。重金属经过食物链后在人体内聚积，就会对健康造成严重金属经过食物链后在人体内聚积，就会对健康造成严重危害。重金属聚积到一定量后会使人发生中毒现象，重危害。重金属聚积到一定量后会使人发生中毒现象，严重将造成人死亡。所以，加强废电池管理，不乱扔废严重将造成人死亡。所以，加强废电池管理，不乱扔废电池，实现有害废弃物电池，实现有害废弃物“资源化、无害化资源化、无害化”管理，已迫管理，已迫在眉睫。在眉睫。5.化学电源与环境保护化学电源与环境保护第59页北京中国地质大学化学教研室60阴极阴极：与直流电源负极相连极。与直流电源负极相连极。阳极阳极：与直流电源正极相连极。与直流电源正极相连极。4.5电解电解利用外加电能方法迫使反应进行过程叫利用外加电能方法迫使反应进行过程叫电解电解。在电解过程中在电解过程中，电能转变为化学能电能转变为化学能。电解池：电解池：将电能转化为化学能装置。将电能转化为化学能装置。电解池组成：电解池组成：电极（阴极和阳极），电极（阴极和阳极），直流电源，直流电源，电解液、电解槽电解液、电解槽。Lecture15第60页北京中国地质大学化学教研室61电子从电源负极沿导线进入电解池阴极。电子从电源负极沿导线进入电解池阴极。在阳极端电子沿导线流向电源正极。在阳极端电子沿导线流向电源正极。电解液中电解液中阳离子移向阴极阳离子移向阴极，从阴极上取，从阴极上取得电子进行还原反应；得电子进行还原反应；阴离子移向阳极阴离子移向阳极，在阳极上给出电子发生氧化反应，或阳在阳极上给出电子发生氧化反应，或阳极溶解。极溶解。注意：注意：电解池阳极是原电池负极，电解池阴极是原电池正极。电解池阳极是原电池负极，电解池阴极是原电池正极。电解池工作过程：电解池工作过程：放电：放电：在电解池两极反应中，氧化态物在电解池两极反应中，氧化态物质得到电子或还原态物质给出电子过程质得到电子或还原态物质给出电子过程都叫放电。都叫放电。第61页北京中国地质大学化学教研室62分解电压：分解电压：能使电解顺利进行最低电压称为实际分解电能使电解顺利进行最低电压称为实际分解电压，简称分解电压。压，简称分解电压。4.5.1分解电压和超电势分解电压和超电势以铂作电极，电解以铂作电极，电解0.1moldm-3Na2SO4溶液为例说明。溶液为例说明。各物质分解电压是经过试验测得。各物质分解电压是经过试验测得。阳极：阳极：4OH-2H2O+O2+4e-阴极：阴极：2H+2e-H2电解反应：电解反应：1.分解电压分解电压第62页北京中国地质大学化学教研室63氢氧原电池：氢氧原电池：(-)Pt H2 Na2SO4(0.1moldm-3)O2 Pt(+)电动势电动势:E=正正负负=1.23V负极：负极：H22H+2e-算得算得负负=-0.414V正极：正极：H2O+O2+2e-=2OH，算得，算得正正=0.815V第63页北京中国地质大学化学教研室64原电池电子流动方向与外加直流电源电子流动方向相反。原电池电子流动方向与外加直流电源电子流动方向相反。分解电压是因为电解产物在电极上形成某种原电池，产分解电压是因为电解产物在电极上形成某种原电池，产生反向电动势而引发。生反向电动势而引发。理论分解电压：理论分解电压：电极产物所形成原电池电动势。电极产物所形成原电池电动势。上述试验最少外电源提供电动势上述试验最少外电源提供电动势1.23V，电解才可发生，电解才可发生，此值此值(1.23V)即为即为理论分解电压理论分解电压E(理理)。第64页北京中国地质大学化学教研室65实际上，当接通电流后，在外加电压很小时，电流很小；实际上，当接通电流后，在外加电压很小时，电流很小；当电压逐步增加到当电压逐步增加到1.23V时，电流增大仍很小，电极上没时，电流增大仍很小，电极上没有气泡发生（说明电解反应没发生）。有气泡发生（说明电解反应