物理化學(xué)課件-09章-電解與極化作用教學(xué)內(nèi)容

1、O返回物理化學(xué)課件-09章-電解與極化作用O返回9.1 理論分解電壓理論分解電壓 使某電解質(zhì)溶液能連續(xù)不斷發(fā)生電解時(shí)所必須外加的最小電壓，在數(shù)值上等于該電解池作為可逆電池時(shí)的可逆電動(dòng)勢(shì)( )()EE理論分解可逆O返回分解電壓的測(cè)定 使用Pt電極電解H2O，加入中性鹽用來(lái)導(dǎo)電，實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。 逐漸增加外加電壓，由安培計(jì)G和伏特計(jì)V分別測(cè)定線(xiàn)路中的電流強(qiáng)度I 和電壓E，畫(huà)出I-E曲線(xiàn)。O返回分解電壓的測(cè)定 外加電壓很小時(shí)，幾乎無(wú)電流通過(guò)，陰、陽(yáng)極上無(wú)H2氣和氧氣放出。 隨著E的增大，電極表面產(chǎn)生少量氫氣和氧氣，但壓力低于大氣壓，無(wú)法逸出。所產(chǎn)生的氫氣和氧氣構(gòu)成了原電池，外加電壓必須克服這反電動(dòng)

2、勢(shì)，繼續(xù)增加電壓，I 有少許增加，如圖中1-2段。O返回分解電壓的測(cè)定 當(dāng)外壓增至2-3段，氫氣和氧氣的壓力等于大氣壓力，呈氣泡逸出，反電動(dòng)勢(shì)達(dá)極大值 Eb,max。 再增加電壓，使I 迅速增加。將直線(xiàn)外延至I =0處，得E(分解)值，這是使電解池不斷工作所必需外加的最小電壓，稱(chēng)為分解電壓。O返回實(shí)際分解電壓()()()()()EEEIRE分解可逆不陽(yáng)可逆不可逆陰 要使電解池順利地進(jìn)行連續(xù)反應(yīng)，除了克服作為原電池時(shí)的可逆電動(dòng)勢(shì)外，還要克服由于極化在陰、陽(yáng)極上產(chǎn)生的超電勢(shì) 和 ，以及克服電池電阻所產(chǎn)生的電位降 。這三者的加和就稱(chēng)為實(shí)際分解電壓。()陽(yáng)()陰IR顯然分解電壓的數(shù)值會(huì)隨著通入電流強(qiáng)度

3、的增加而增加。O返回9.2 極化作用極化（polarization） 當(dāng)電極上無(wú)電流通過(guò)時(shí)，電極處于平衡狀態(tài)，這時(shí)的電極電勢(shì)分別稱(chēng)為陽(yáng)極平衡電勢(shì) 和陰極平衡電勢(shì) 。()E 陽(yáng),平()E 陰,平 在有電流通過(guò)時(shí)，隨著電極上電流密度的增加，電極實(shí)際分解電勢(shì)值對(duì)平衡值的偏離也愈來(lái)愈大，這種對(duì)平衡電勢(shì)的偏離稱(chēng)為電極的極化。O返回極化的類(lèi)型 根據(jù)極化產(chǎn)生的不同原因，通常把極化大致分為兩類(lèi)：濃差極化和電化學(xué)極化。 （1）濃差極化 在電解過(guò)程中，電極附近某離子濃度由于電極反應(yīng)而發(fā)生變化，本體溶液中離子擴(kuò)散的速度又趕不上彌補(bǔ)這個(gè)變化，就導(dǎo)致電極附近溶液的濃度與本體溶液間有一個(gè)濃度梯度，這種濃度差別引起的電極電

4、勢(shì)的改變稱(chēng)為濃差極化。 用攪拌和升溫的方法可以減少濃差極化，但也可以利用滴汞電極上的濃差極化進(jìn)行極譜分析。O返回極化的類(lèi)型（2）電化學(xué)極化 電極反應(yīng)總是分若干步進(jìn)行，若其中一步反應(yīng)速率較慢，需要較高的活化能，為了使電極反應(yīng)順利進(jìn)行所額外施加的電壓稱(chēng)為電化學(xué)超電勢(shì)（亦稱(chēng)為活化超電勢(shì)），這種極化現(xiàn)象稱(chēng)為電化學(xué)極化。O返回超電勢(shì)（overpotential） 在某一電流密度下，實(shí)際發(fā)生電解的電極電勢(shì) 與平衡電極電勢(shì)之間的差值稱(chēng)為超電勢(shì)。()E 不可逆 為了使超電勢(shì)都是正值，把陰極超電勢(shì) 和陽(yáng)極超電勢(shì) 分別定義為： ()陰()陽(yáng) (,) (,)(,)(,() EEEE陰不可逆陽(yáng)不平可逆陽(yáng)陰陽(yáng)陰 平 陽(yáng)

5、極上由于超電勢(shì)使電極電勢(shì)變大，陰極上由于超電勢(shì)使電極電勢(shì)變小。 ()(,)()(,),)(,EEEE陽(yáng)陽(yáng)不可陰陰 平陰不可陽(yáng)逆逆平O返回極化曲線(xiàn)（polarization curve） 超電勢(shì)或電極電勢(shì)與電流密度之間的關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)為極化曲線(xiàn)，極化曲線(xiàn)的形狀和變化規(guī)律反映了電化學(xué)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特征。(1)電解池中兩電極的極化曲線(xiàn) 隨著電流密度的增大，兩電極上的超電勢(shì)也增大，陽(yáng)極析出電勢(shì)變大，陰極析出電勢(shì)變小，使外加的電壓增加，額外消耗了電能。O返回極化曲線(xiàn)（polarization curve）O返回極化曲線(xiàn)（polarization curve）(2)原電池中兩電極的極化曲線(xiàn) 原電池中，負(fù)極是陽(yáng)極

6、，正極是陰極。隨著電流密度的增加，陽(yáng)極析出電勢(shì)變大，陰極析出電勢(shì)變小。由于極化，使原電池的作功能力下降。 但可以利用這種極化降低金屬的電化腐蝕速度。O返回極化曲線(xiàn)（polarization curve）O返回氫超電勢(shì) 電解質(zhì)溶液通常用水作溶劑，在電解過(guò)程中， 在陰極會(huì)與金屬離子競(jìng)爭(zhēng)還原。+H 利用氫在電極上的超電勢(shì)，可以使比氫活潑的金屬先在陰極析出，這在電鍍工業(yè)上是很重要的。 例如，只有控制溶液的pH，利用氫氣的析出有超電勢(shì)，才使得鍍Zn，Sn，Ni，Cr等工藝成為現(xiàn)實(shí)。O返回氫氣在幾種電極上的超電勢(shì) 金屬在電極上析出時(shí)超電勢(shì)很小，通?？珊雎圆挥?jì)。而氣體，特別是氫氣和氧氣，超電勢(shì)值較大。 氫氣

7、在幾種電極上的超電勢(shì)如圖所示?？梢?jiàn)在石墨和汞等材料上，超電勢(shì)很大，而在金屬Pt，特別是鍍了鉑黑的鉑電極上，超電勢(shì)很小，所以標(biāo)準(zhǔn)氫電極中的鉑電極要鍍上鉑黑。 影響超電勢(shì)的因素很多，如電極材料、電極表面狀態(tài)、電流密度、溫度、電解質(zhì)的性質(zhì)、濃度及溶液中的雜質(zhì)等。O返回氫氣在幾種電極上的超電勢(shì)O返回Tafel 公式（Tafels equation） 早在1905年，Tafel 發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一些常見(jiàn)的電極反應(yīng)，超電勢(shì)與電流密度之間在一定范圍內(nèi)存在如下的定量關(guān)系：lnabj這就稱(chēng)為T(mén)afel 公式。式中 j 是電流密度, 是單位電流密度時(shí)的超電勢(shì)值，與電極材料、表面狀態(tài)、溶液組成和溫度等因素有關(guān)， 是超電勢(shì)

8、值的決定因素。 在常溫下一般等于。ab0.050 VO返回9.3 電解時(shí)電極上的反應(yīng)陰極上的反應(yīng) 電解時(shí)陰極上發(fā)生還原反應(yīng)。發(fā)生還原的物質(zhì)通常有(1)金屬離子，(2)氫離子（中性水溶液中 ）。+7H10a2z+Hz+z+M+H1(M |M)(M ,M)ln1(H |H)lnRTEEzFaRTEFa $ 判斷在陰極上首先析出何種物質(zhì)，應(yīng)把可能發(fā)生還原物質(zhì)的電極電勢(shì)計(jì)算出來(lái)，同時(shí)考慮它的超電勢(shì)。電極電勢(shì)最大的首先在陰極析出。O返回9.3 電解時(shí)電極上的反應(yīng)陽(yáng)極上的反應(yīng) 電解時(shí)陽(yáng)極上發(fā)生氧化反應(yīng)。發(fā)生氧化的物質(zhì)通常有：（1）陰離子，如 等，（2）陽(yáng)極本身發(fā)生氧化。Cl ,OHzzzA(A|A )(A

9、|A )ln()RTEEazF陽(yáng)$ 判斷在陽(yáng)極上首先發(fā)生什么反應(yīng)，應(yīng)把可能發(fā)生氧化物質(zhì)的電極電勢(shì)計(jì)算出來(lái)，同時(shí)要考慮它的超電勢(shì)。電極電勢(shì)最小的首先在陽(yáng)極氧化。O返回9.3 電解時(shí)電極上的反應(yīng)(,)(,)EE分解電壓陽(yáng)極 析出陰極 析出分解電壓 確定了陽(yáng)極、陰極析出的物質(zhì)后，將兩者的析出電勢(shì)相減，就得到了實(shí)際分解電壓。因?yàn)殡娊獬刂嘘?yáng)極是正極，電極電勢(shì)較高，所以用陽(yáng)極析出電勢(shì)減去陰極析出電勢(shì)。 電解水溶液時(shí)，由于 或 的析出，會(huì)改變 或 的濃度，計(jì)算電極電勢(shì)時(shí)應(yīng)把這個(gè)因素考慮進(jìn)去。+H2OOH2HO返回9.3 電解時(shí)電極上的反應(yīng)金屬離子的分離 如果溶液中含有多個(gè)析出電勢(shì)不同的金屬離子，可以控制外加

10、電壓的大小，使金屬離子分步析出而達(dá)到分離的目的。 為了使分離效果較好，后一種離子反應(yīng)時(shí)，前一種離子的活度應(yīng)減少到 以下，這樣要求兩種離子的析出電勢(shì)相差一定的數(shù)值。7107 ln10RTEzF 1 0.41V 2 0.21V 3 0.14VzEzEzE當(dāng)O返回9.3 電解時(shí)電極上的反應(yīng) 陰極產(chǎn)品：電鍍、金屬提純、保護(hù)、產(chǎn)品的美化（包括金屬、塑料）和制備 及有機(jī)物的還原產(chǎn)物等。2H 陽(yáng)極產(chǎn)品：鋁合金的氧化和著色、制備氧氣、雙氧水、氯氣以及有機(jī)物的氧化產(chǎn)物等。 常見(jiàn)的電解制備有氯堿工業(yè)、由丙烯腈制乙二腈、用硝基苯制苯胺等。電解的應(yīng)用O返回9.4 金屬的電化學(xué)腐蝕和防腐金屬腐蝕分兩類(lèi)：（1）化學(xué)腐蝕

11、金屬表面與介質(zhì)如氣體或非電解質(zhì)液體等因發(fā)生化學(xué)作用而引起的腐蝕，稱(chēng)為化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕作用進(jìn)行時(shí)無(wú)電流產(chǎn)生。（2）電化學(xué)腐蝕 金屬表面與介質(zhì)如潮濕空氣或電解質(zhì)溶液等，因形成微電池，金屬作為陽(yáng)極發(fā)生氧化而使金屬發(fā)生腐蝕。這種由于電化學(xué)作用引起的腐蝕稱(chēng)為電化學(xué)腐蝕。O返回金屬的電化學(xué)腐蝕和防腐電化學(xué)腐蝕的例子：銅板上的鐵鉚釘為什么特別容易生銹？ 帶有鐵鉚釘?shù)你~板若暴露在空氣中，表面被潮濕空氣或雨水浸潤(rùn)，空氣中的和海邊空氣中的NaCl溶解其中，形成電解質(zhì)溶液，這樣組成了原電池，銅作陰極，鐵作陽(yáng)極，所以鐵很快腐蝕形成鐵銹。22CO ,SOO返回金屬的電化學(xué)腐蝕和防腐O返回鐵銹的組成鐵在酸性介質(zhì)中只能氧

12、化成二價(jià)鐵：2+Fe(s)Fe2e 二價(jià)鐵被空氣中的氧氣氧化成三價(jià)鐵，三價(jià)鐵在水溶液中生成 沉淀， 又可能部分失水生成。3Fe(OH)3Fe(OH)23Fe O 所以鐵銹是一個(gè)由 等化合物組成的疏松的混雜物質(zhì)。2+3+323Fe ,Fe ,Fe(OH) ,Fe OO返回腐蝕時(shí)陰極上的反應(yīng)(1)析氫腐蝕酸性介質(zhì)中 在陰極上還原成氫氣析出。+H2+H+22H12HeH (g) (H |H )lnaRTEFa 設(shè) ， 則+27HH1, 10aa+2(H |H )0.413 VE鐵陽(yáng)極氧化，當(dāng) 時(shí)認(rèn)為已經(jīng)發(fā)生腐蝕，2+6(Fe )10a2+2+61(Fe |Fe)(Fe |Fe)ln100.617VR

13、TEEzF$這時(shí)組成原電池的電動(dòng)勢(shì)為，是自發(fā)電池。0.204VO返回腐蝕時(shí)陰極上的反應(yīng) 如果既有酸性介質(zhì)，又有氧氣存在，在陰極上發(fā)生消耗氧的還原反應(yīng)： 這時(shí)與 (-0.617V)陽(yáng)極組成原電池的電動(dòng)勢(shì)為 。顯然耗氧腐蝕比析氫腐蝕嚴(yán)重得多。2+(Fe |Fe)E1.433 V（2）耗氧腐蝕+2+27O2H 1, 10 ,(O |H O,H )0.816VaaE設(shè)則 +2+22+224OHO (g)+4H4e2H O1(O |H O,H )ln4RTEEFa a$1.229 VE $O返回金屬的防腐（1）非金屬防腐 在金屬表面涂上油漆、搪瓷、塑料、瀝青等，將金屬與腐蝕介質(zhì)隔開(kāi)。（2）金屬保護(hù)層 在

14、需保護(hù)的金屬表面用電鍍或化學(xué)鍍的方法鍍上Au，Ag，Ni，Cr，Zn，Sn等金屬，保護(hù)內(nèi)層不被腐蝕。O返回金屬的防腐（3）電化學(xué)保護(hù) 1保護(hù)器保護(hù) 將被保護(hù)的金屬如鐵作陰極，較活潑的金屬如Zn作犧牲性陽(yáng)極。陽(yáng)極腐蝕后定期更換。 2陰極保護(hù) 外加電源組成一個(gè)電解池，將被保護(hù)金屬作陰極，廢金屬作陽(yáng)極。3陽(yáng)極保護(hù) 用外電源，將被保護(hù)金屬接陽(yáng)極，在一定的介質(zhì)和外電壓作用下，使陽(yáng)極鈍化。O返回金屬的防腐（4）加緩蝕劑 在可能組成原電池的體系中加緩蝕劑，改變介質(zhì)的性質(zhì)，降低腐蝕速度。（5）制成耐蝕合金 在煉制金屬時(shí)加入其它組分，提高耐蝕能力。如在煉鋼時(shí)加入Mn，Cr等元素制成不銹鋼。O返回9.5 化學(xué)電源（1）燃料電池 又稱(chēng)為連續(xù)電池，一般以天然燃料或其它可燃物質(zhì)如氫氣、甲醇、天然氣、煤氣等作為負(fù)極的反應(yīng)物質(zhì)，以氧