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文檔簡介
電極電勢與電池電動勢當(dāng)前第1頁\共有39頁\編于星期六\10點第一節(jié)電極電勢一、原電池(一)原電池的概念原電池:借助于氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。當(dāng)前第2頁\共有39頁\編于星期六\10點
負(fù)極:Zn-2e?Zn2+(氧化)正極:Cu2++2e?Cu
(還原)原電池:Zn+Cu2+?
Zn2++Cu(氧化還原)當(dāng)前第3頁\共有39頁\編于星期六\10點
鹽橋的作用是中和溶液中過剩的電荷,溝通電路,保持兩溶液的電中性,保證了Zn的氧化和Cu2+的還原繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)前第4頁\共有39頁\編于星期六\10點原電池的裝置可用符號表示:(-)Zn│ZnSO4(c1)‖CuSO4(c2)│Cu(+)“│”表示兩相的界面,“‖”表示鹽橋,(+)和(-)分別表示正負(fù)極。習(xí)慣上把負(fù)極寫在左邊,正極寫在右邊。當(dāng)前第5頁\共有39頁\編于星期六\10點
鹽橋兩邊分別為2個半電池(即兩個電極),每個電極反應(yīng)包括兩類物質(zhì),一類是可作還原劑(處于低價態(tài))的物質(zhì),叫做還原態(tài)(或還原型)物質(zhì);另一類是可作氧化劑(處于高價態(tài))的物質(zhì),叫做氧化態(tài)(或氧化型)物質(zhì)。兩者關(guān)系可表示如下:氧化態(tài)+ne?還原型當(dāng)前第6頁\共有39頁\編于星期六\10點常用電極(半電池)通常有四種類型①金屬-金屬離子電極Cu2+/CuZn2+/Zn(即氧化型/還原型)②氣體電極Pt,H+/H2、Pt,
Cl2/Cl-
③金屬-金屬難溶鹽-陰離子電極
Ag,AgCl(s)│Cl-④氧化還原電極Pt│Fe3+,F(xiàn)e2+當(dāng)前第7頁\共有39頁\編于星期六\10點用金屬Pt作惰性電極,電極可表示為:Pt│Fe3+,F(xiàn)e2+、Pt,H2│H+、Pt,Cl2│Cl-等,金屬及其難溶鹽。例如AgCl/Ag,其電極組成為,
Ag│AgCl,Cl-當(dāng)前第8頁\共有39頁\編于星期六\10點例:3-1將下列氧化還原反應(yīng)組成原電池
Cu+2Ag+(c=1.0)→Cu2+(c=1.0)+2Ag解:首先把反應(yīng)分為氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)
Cu?Cu2++2e(氧化反應(yīng))Ag++e?Ag(還原反應(yīng))(-)Cu│Cu2+(c=0.10)‖Ag+(c=1.0)│Ag(+)當(dāng)前第9頁\共有39頁\編于星期六\10點
例3-2寫出下列電池所對應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)
(-)Pt│Fe3+,F(xiàn)e2+‖MnO4-,Mn2+,H+│Pt(+)
解:負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)Fe2+?Fe3++e
正極發(fā)生還原反應(yīng)
MnO4-+8H++5e?Mn2++4H2O(1)×5+(2)得電池反應(yīng)為
MnO4-+5Fe2++8H+?Mn2++5Fe3++4H2O當(dāng)前第10頁\共有39頁\編于星期六\10點(二)電池的電動勢電池的電動勢:在原電池的兩電極之間電勢差。電極電勢常用符號表示,電池的電動勢用E表示:當(dāng)前第11頁\共有39頁\編于星期六\10點二、電極電勢(一)電極電勢的產(chǎn)生
M(s)?Mn+(aq)+ne-
在極板上在溶液中留于極板上溶解沉積當(dāng)前第12頁\共有39頁\編于星期六\10點
電極電勢:產(chǎn)生與金屬表面與其鹽溶液雙電層之間的電勢差稱為金屬的電極電勢。當(dāng)前第13頁\共有39頁\編于星期六\10點圖3-2金屬的電極電勢示意圖當(dāng)前第14頁\共有39頁\編于星期六\10點(二)電極電勢的測定(1)標(biāo)準(zhǔn)氫電極按照IUPAC的規(guī)定,以標(biāo)準(zhǔn)氫電極(SHE)為標(biāo)準(zhǔn)電極,并規(guī)定它的電極電位為零,將待側(cè)電極和標(biāo)準(zhǔn)氫電極組成一個原電池,通過測定該電池的電動勢,就可求出待側(cè)電極的相對值。當(dāng)前第15頁\共有39頁\編于星期六\10點標(biāo)準(zhǔn)電極的構(gòu)造系將鍍有鉑黑的鉑片浸入到H+離子濃度(確切地是活度)為1mol.L-1的酸溶液中,于298.15K時通入101.3kpa的純凈氫氣溶液中的H+與H2建立下述平衡:
H2-2e?2H+當(dāng)前第16頁\共有39頁\編于星期六\10點圖3-3標(biāo)準(zhǔn)氫電極當(dāng)前第17頁\共有39頁\編于星期六\10點
(2)標(biāo)準(zhǔn)電極電勢規(guī)定溫度為298.15K,有關(guān)離子的濃度為1mol·L-1,氣體分壓為101.3kpa時,用θ表示。當(dāng)前第18頁\共有39頁\編于星期六\10點例3-3將標(biāo)準(zhǔn)氫電極和標(biāo)準(zhǔn)鋅電極組成電池,試驗表明鋅電極是負(fù)極,氫電極是正極:
(-)Zn│Zn2+(lmol.L-1)‖H+(lmol.L-1)│H2(101.3Kpa),Pt(+)
測得電池電動勢Eθ為0.7628V,求標(biāo)準(zhǔn)電極電勢的值。當(dāng)前第19頁\共有39頁\編于星期六\10點解:因標(biāo)準(zhǔn)鋅電極為負(fù)極,標(biāo)準(zhǔn)氫
電極為正極,則:當(dāng)前第20頁\共有39頁\編于星期六\10點
如將標(biāo)準(zhǔn)鋅電極轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)銅電極,標(biāo)準(zhǔn)氫電極與標(biāo)準(zhǔn)銅電極組成電池,氫電極為負(fù)極,銅電極為正極,測得電池的電動勢,Eθ
=0.3419V,則表3-1列出一些常用電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢。當(dāng)前第21頁\共有39頁\編于星期六\10點當(dāng)前第22頁\共有39頁\編于星期六\10點正確使用標(biāo)準(zhǔn)電極電勢說明如下:(1)是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的水溶液中測定的,對非水溶液、高溫下的固相液相反應(yīng)不能應(yīng)用。當(dāng)前第23頁\共有39頁\編于星期六\10點(2)表中所列標(biāo)準(zhǔn)電極電勢的數(shù)值和符號,不因電極反應(yīng)的書寫方式而改變。例如,不管電極反應(yīng)是按
Zn2++2e?Zn還是Zn-2e?Zn2+
進(jìn)行,該電對的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢都是-0.7628V當(dāng)前第24頁\共有39頁\編于星期六\10點(3)電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢是強度性質(zhì),沒有加合性,其數(shù)值與反應(yīng)系數(shù)無關(guān)。以電對Fe3+/Fe2+為例,不管是Fe3++e?Fe2+還是2Fe3++2e?2Fe2+其當(dāng)前第25頁\共有39頁\編于星期六\10點(4)該表為298.15K時的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢。由于電極電勢隨溫度變化不大,其他溫度下電極電勢也可用此表。當(dāng)前第26頁\共有39頁\編于星期六\10點三、電極電勢的計算電極電勢與溫度、濃度間的關(guān)系遵從以下的能斯特(W.Nemst)方程:當(dāng)前第27頁\共有39頁\編于星期六\10點式中::標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(V)
R:氣體常數(shù),其值為
8.314J.K-1.mol-1
F:法拉第常數(shù),其值為
96500C.mol-1當(dāng)前第28頁\共有39頁\編于星期六\10點T:絕對溫度,單位用K表示
T=273+0C
n:電極反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)當(dāng)溫度為298.15時,則能斯特方程式可改寫為。當(dāng)前第29頁\共有39頁\編于星期六\10點注意一下幾點:(1)計算前,首先配平電極反應(yīng)式。(2)若電極反應(yīng)式中氧化態(tài)、還原態(tài)物質(zhì)前的系數(shù)不等于1時,則氧化態(tài)、還原態(tài)物質(zhì)的濃度應(yīng)以該系數(shù)為指數(shù)代入公式。當(dāng)前第30頁\共有39頁\編于星期六\10點(3)若電極反應(yīng)中氧化態(tài)、還原態(tài)為純固體或純液體(包括水)不必代入方程式中;若為氣體則用分壓表示(氣體分壓代入公式時,應(yīng)除以標(biāo)準(zhǔn)態(tài)壓力101.3kpa)。當(dāng)前第31頁\共有39頁\編于星期六\10點(4)若在電極反應(yīng)中,有H+或
OH-離子參加反應(yīng),則這些離子的濃度也應(yīng)根據(jù)反應(yīng)式寫在方程式中。當(dāng)前第32頁\共有39頁\編于星期六\10點例3-4計算298.15K
Fe3+(1mol.L-1),F(xiàn)e2+(0.0001mol·L-1)│Pt電極的電極電勢。當(dāng)前第33頁\共有39頁\編于星期六\10點解:查表知Fe3++e?Fe2+,=0.771V,代入能斯特方程得:當(dāng)前第34頁\共有39頁\編于星期六\10點例:3-5計算電極反應(yīng)
MnO4-+8H++
5e?Mn2++4H2O在pH=5時此電極的電極電勢(其他條件仍為標(biāo)準(zhǔn)態(tài))。當(dāng)前第35頁\共有39頁\編于星期六\10點解:查表知該電極的=1.51V則當(dāng)前第36頁\共有39頁\編于星期六\10點例:3-6判斷下列電池(298.15K)的正負(fù)極,計算其電動勢,并寫出電
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