第五章 电化学基础文档格式.docx
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正极得到电子,发生还原反应;
负极提供电子,发生氧化反应;
在双液电池中盐桥也必不可少,其作用是通过离子扩散来保持溶液的电中性,消除电极反应产生的过剩电荷的阻力,导通电流;
导线是导通电流,确保反应持续进行。
3.如何将一个在溶液中进行的氧化还原反应设计成原电池?
先将氧化还原反应分写成两个半反应:
一个是氧化反应,表示还原剂被氧化;
根据两个半反应的电对特点将其设计成电极,并用符号表示电极的组成;
确定正负极:
氧化反应对应于阳极,即负极;
而还原反应对应于阴极,即正极;
不同的电解质间要用盐桥连接以减小液接电势。
例如:
将反应2KMnO4+5Na2SO3+3H2SO4=2MnSO4+5Na2SO4+K2SO4+3H2O设计成原电池。
氧化反应;
SO32--ne-→SO42-电极组成:
(-)Pt|Na2SO4,Na2SO3
还原反应:
MnO4-+ne-→Mn2+(+)Pt|KMnO4,MnSO4,H2SO4
电池符号:
(-)Pt|Na2SO4,Na2SO3‖KMnO4,MnSO4,H2SO4|Pt(+)
4.如何用符号表示一个原电池?
写出原电池:
Pt|H2|H+||Cl-|AgCl|Ag的电极反应及电池反应式。
用符号表示一个原电池的一般规则为:
负极在左,正极在右;
用“|”表示两相之间的相界面,用“||”表示盐桥;
溶液应注明浓度(mol∙L-1),气体应注明分压(kPa);
从负极开始沿着电池内部依次书写到正极。
原电池:
Pt|H2|H+||Cl-|AgCl|Ag的电极反应及电池反应如下:
负极反应:
H2-2e-→2H+
阳极反应:
AgCl+e-→Ag+Cl-
电池反应:
H2+2AgCl=2Ag+2Cl-
5.何谓电极电势?
怎样用这一概念解释原电池产生电流的原因?
电极与溶液形成双电层达到动态平衡时,金属的电势(金属)与溶液的电势(溶液)之差称为电极电势,以符号(Mn+/M)表示。
(Mn+/M)=(金属)-(溶液)。
Mn+/M表示组成该电极的氧化还原电对,如(Zn2+/Zn),(Cu2+/Cu)和(Cl2/C1-)等。
将两个电极电势不同的电极组成原电池时,原电池的电动势E≠0,电就会从电极电势高的电极(正极)自动地流向电极电势低的电极(负极),从而产生电流。
6.什么叫标准氢电极?
是否在所有温度下,其电极电势都为零?
在298.15K时,把镀有铂黑的铂片插入含有1mol∙L-1H+的溶液中,并不断用压力为100kPa纯H2气流通过Pt片,使之吸附H2达到饱和并发生电极反应。
如此构成的氢电极叫标准氢电电极。
标准氢电极的符号记为:
H+(1mol∙L-1)|H2(100kPa)|Pt。
目前国际上将标准氢电极作为标准参比电极,将其电极电势值规定为零,即:
Ө(H+/H2)=0.000V。
此值是在298.15K的条件下的规定值,当温度发生变化时其电极电势就不等于零。
具体数值可由能斯特公式求得,。
7.怎样测定电极的标准电极电势?
其符号和大小有何物理意义?
标准电极电势Ө(氧化态/还原态)数值的大小表示了反应:
氧化态+ne-还原态,在标准状态下进行的趋势,反映了电极的氧化态及还原态的氧化还原能力或倾向,即标准电极电势数值越大,氧化态得电子能力越强,是强的氧化剂;
标准电极电势数值越小,还原态失电子能力越强,是强的还原剂;
反之亦然。
标准电极电势的测定方法主要有两种:
氢标法:
将待测标准电极与标准氢电极组成原电池,测定该原电池的电动势即标准电动势EӨ,由EӨ=Ө(正)—Ө(负)和Ө(H+/H2)=0.000V可求得待测电极的标准电极电势Ө(氧化态/还原态)的值。
例如,实验测Ө(Zn2+/Zn)所用的标准原电池如下:
(-)Zn|ZnSO4(1mol∙L-1)||H+(1mol∙L-1)|H2(100kPa)|Pt(+)
测得的标准电动势为EӨ=0.7628V,由EӨ=Ө(正)—Ө(负)=Ө(H+/H2)-Ө(Zn2+/Zn)得:
0.7628=0.000-Ө(Zn2+/Zn)
则得:
Ө(Zn2+/Zn)=-0.7628(V)
参比电极法:
标准电极电势也可用饱和甘汞电极作为参比电极来测量。
测量时将待测标准电极与饱和甘汞电极组成原电池,测定该原电池的电动势E,由E=(正)—(负)和(Hg2Cl2/Hg,饱和)=0.2415V可求得待测电极的标准电极电势Ө(氧化态/还原态)值。
8.怎样利用电极电势来决定原电池的正、负极?
计算原电池的电动势?
判断氧化还原反应的方向?
比较两电对电极电势的代数值,电极电势代数值大的为正极,小者为负极。
原电池的电动势由E=(正)—(负)求得。
按照反应方程式书写方式,在反应物一侧找出氧化剂和还原剂,令氧化剂对应的电对作原电池的正极,还原剂对应的电对作原电池的负极,若:
(氧化剂)>(还原剂),则氧化还原反应从左→右自发进行;
(氧化剂)<(还原剂),则氧化还原反应从右→左自发进行;
(氧化剂)=(还原剂),则氧化还原反应达到了平衡态。
9.在电化学中EӨ有那些应用?
试分别说明之。
判断在标准状态下氧化还原反应进行的方向;
判断氧化还原反应进行的程度。
10.Nernst方程式中有哪些影响因素?
它与氧化态及还原态中的离子浓度、气体分压和介质的关系如何?
浓度对电极电势的影响可由Nernst方程式表示:
式中,n为电极反应中得失的电子数(摩尔);
R=8.314J∙mol-1∙K-1;
F=96500C∙mol-1(Faraday常数),
[氧化态]、[还原态]表示电极反应中氧化态及还原态物质的相对浓度(c/cӨ)或相对分压(P/pӨ),并以电极反应中对应物质的系数为指数。
从该式可以看出,影响电极电势的主要因素有氧化态、还原态物质的浓度及反应系统的温度等。
[氧化态]越大,电极电势越高;
[还原态]越大,电极电势越低;
当电极反应中有氢离子H+或氢氧根离子OH-出现时,则介质的pH值对电极电势亦有影响,pH值越大,电极电势越低。
11.查阅标准电极电势时,为什么既要注意物质的价态,又要注意物质的聚集状态和介质条件(酸碱性)。
因为物质的价态、聚集状态和介质条件(酸碱性)对电极电势都有影响,当其不同时,电极电势的值亦不同的。
12.实验室中,为了保证FeSO4溶液不变质常给溶液中加入无锈铁钉。
试从有关电对的电极电势说明理由。
Ө(Fe3+/Fe2+)=0.771,Ө(O2/H2O)=1.229,Ө(Fe3+/Fe)=-0.037。
∵Ө(O2/H2O)>Ө(Fe3+/Fe2+),∴水溶液中的溶解氧能将Fe2+氧化成Fe3+而使FeSO4溶液变质。
又∵Ө(Fe3+/Fe2+)>Ө(Fe3+/Fe)∴当给溶液中加入无锈铁钉时,Fe能将Fe3+还原成Fe2+,从而保证了FeSO4溶液不变质。
13.由标准锌半电池和标准铜半电池组成原电池:
(-)Zn|ZnSO4(1mol∙L-1)||CuSO4(1mol∙L-1)|Cu(+)
(1)改变下列条件对原电池电动势有何影响?
(a)增加ZnSO4溶液的浓度;
(b)在ZnSO4溶液中加入过量的NaOH;
(c)增加铜片的电极表面积;
(d)在CuSO4溶液中加入Na2S溶液。
(2)当铜锌原电池工作半小时以后,原电池的电动势是否会发生变化?
为什么?
(1)由Nernst方程式知:
(a)增加ZnSO4溶液的浓度,(Zn2+/Zn)增大,即(负)增大。
又由E=(正)—(负),其他条件不变时,(负)增大,使E减小。
(b)在ZnSO4溶液中加入过量的NaOH,则发生如下反应:
Zn2++4OH-=ZnO22-+2H2O,使溶液中c(Zn2+)减小,(负)减小,使E增大。
(c)增加铜片的电极表面积,对(Zn2+)无影响,故E保持不变。
(d)在CuSO4溶液中加入Na2S溶液,则发生如下反应:
Cu2++S2-=CuS(↓),使溶液中c(Cu2+)减小,(正)减小,使E减小。
(2)当铜锌原电池工作半小时以后,原电池的电动势会降低。
因为随着电池反应的进行,正极电解质溶液中的c(Cu2+)减小,使(正)减小;
同时负极电解质溶液中的c(Zn2+)增大,使使(负)增大,这两个方面产生的结果都使原电池的电动势E减小。
14.什么叫浓差电池?
它与一般化学电池有何不同?
由不同浓度的同类电极组成的原电池称为浓差电池。
电池(—)Ag|AgNO3(0.01mol∙L-1)||AgNO3(1mol∙L-1)|Ag(+)就是一个例子。
该电池的正、负极均由Ag+/Ag电对组成,两电极的化学本性相同,只是c(Ag+)不同。
浓差电池与一般的化学电池相比有如下几点不同:
浓差电池的正、负极均由同一电对组成,两电极的化学本性相同,只是某一物质的浓度或分压不同;
而一般的化学电池,两极由不同电对组成,两电极的化学本性就不相同;
浓差电池的电池反应即电池过程是浓度扩散过程,而一般的化学电池的电池反应是一个氧化还原反应;
浓差电池的标准电动势等于零,而一般的化学电池的标准电动势则等于零;
浓差电池的电动势只与两极有关物质的浓度或分压有关;
而一般化学电池的电动势则不但与两极有关物质的浓度或分压有关,而且还与两极的标准电极电势有关;
15.原电池和电解池在结构和原理上各有何特点?
试举例说明(从电极名称、电极反应、电子流方向等方面进行比较)。
原电池是以氧化还原反应为基础将化学能转变为电能的装置,即借助原电池可将化学能转变为电能,利用化学反应产生电流;
电解池则是借助于电流通过电解质溶液产生化学反应的的装置,即借助电解池由外界对系统作电功,在电流作用下发生化学反应,将电能转变成化学能。
二者的差异如下表所示:
原电池
电解池
作用
将化学能转变为电能
将电能转化为化学能
发生氧化反应的电极名称
阳极或负极
阳极或正极
发生还原反应的电极名称
阴极或正极
阴极或负极
电子流动方向
从负极通过外电路→正极
从负极通过电解质溶液中离子定向移动→正极
16.实际分解电压为什么高于理论分解电压?
简单说明超电压(或超电势)的概念。
电解时要使电解作用进行,必须在两极间加上一适当的电压,这种使电流顺利通过电解质溶液、保证电解不断进行所需的最低外加电压,称为该电解池的实际分解电压。
分解电压之所以需要,是因为两电极上的电解产物又组成了一个原电池,该原电池的电动势与外加电压的方向相反,要使反应顺利进行,外加电压必须克服这一电动势,这就是理论分解电压。
实际上,电解时所需要的外加电压(实际分解电压)总是大于理论分解电压。
这是由于电极上和溶液中产生的一些电化学反应,使电极过程离开了平衡状态发生了电极极化。
实际分解电压与理论分解电压的差值,常称为超电压。
17.H+
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