工程化学（课件）第3章

由海南大学机电工程学院自动化2021-4某吴姓同学制作 仅供参考

工程化学（课件）

• 第3章 电化学基础
  • 3.1 原电池和电极电势
    • 3.1.1 原电池的构造
      • 氧化还原反应 通过一定技术搭建成的 将化学能转换成电能 的装置
      • 负阳升失氧，正阴降得还
      • 原电池由两个半电池组成
      • （半反应）电极反应
        • 半电池中的反应
        • 涉及同一元素的氧化态和还原态
      • （半电池）电极
        • 金属导体
          • Cu、Zn
        • 惰性导体
          • Pt、石墨棒
      • 氧化还原电对
        • 同一种元素不同价态的组合形式
        • 符号 [氧化态(Ox)] / [还原态(Red)]
        • 缺乏非固态导体作为半电池
      • 原电池符号
        • 书写规则
          • 1. 负极“-”在左边，正极“+”在右边，盐桥用“||”表示
          • 2. 半电池中两相界面用“|”分开，同相不同物种用“，”分开，溶液、气体要注明cB,pB
          • 3. 纯液体、固体和气体写在惰性电极一边用“|”分开
      • 例题
    • 3.1.2 电极电势
      • 电极电势的产生
        • 把金属浸在它的盐溶液中，因金属元素本身的电离能不同以及金属元素原子与溶剂物质间的作用不同，就可能发生两个不同的过程
        • 1.金属表面的正离子受极性溶剂（比如水分子）的吸引而进入溶液
        • 2.溶液中的水合金属离子受到金属表面的自由电子吸引而重新沉积在金属表面
        • 当这两种方向相反的过程进行的速率相等时，即达到动态平衡
      • 金属的电极电势
        • 双电层之间的电势差就是Zn—Zn2+电极的电极电势，用 E 表示
        • 当Zn和Zn2+溶液均处于标准态，这个电极电势称为锌电极的标准电极电势
        • 标准电极电势
      • 3.1.2.2 标准电极电势
        • 无法确定其绝对值，只有相对值
        • 规定
        • 标准氢电极
          • 电极反应
          • 电对：H+/H2
          • 测锌电极的电极电势，组成原电池
      • 电池电动势
        • 电池正负电极之间的电势差
        • 用高阻抗的晶体管伏特计（电位差计）可直接测量出 E池 = E+ - E-
        • 甘汞电极
          • 参比电极
            • 使用标准氢电极不方便，一般常用易于制备、使用方便且电极电势稳定的 甘汞电极或 氯化银电极 等作为电极电势的对比参考
          • 饱和甘汞电极
            • 表示方法：
            • 电极反应：
            • 标准甘汞电极
            • 饱和甘汞电极
        • 标准电极电势表
          • 电极反应的通式
            • e表示电子 n,z表示电极反应中转移电子的计量数
            • n,z为一纯数
          • 原则上，表中任何两个电极反应所表示的电极都可以组成原电池
            • 位置在上的，电极电势小的为负极
            • 位置在下的，电极电势大的为正极
            • 电极电势高的电极，其氧化型的氧化能力强
            • 电极电势低的电极，其还原型的还原能力强
            • 可以根据标准电极电势表判断一种氧化还原反应进行的可能性
          • 电极反应的实质可以用电对表示出
            • 电对中氧化型写在左边，还原型写在右边
            • 一般在氧化还原电对中，只写出氧化数有变化的物质，且不写化学计量数
          • 电极反应的电极电势也经常表示成电对的电极电势
          • 电极反应包括参加反应的所有物质
          • 酸碱介质中电极反应式的配平
            • 酸介质中
              • 1.氧化型写在左边，还原型写在右边
              • 2.将氧化数有变化的元素的原子配平
              • 3.多n个O+2n个H+，另一边+n个H2O
              • 4.加电子以平衡电荷，完成配平
              • 例题
            • 碱介质中
              • 1.氧化型写在左边，还原型写在右边
              • 2.将氧化数有变化的元素的原子配平
              • 3.多n个O+n个H2O，另一边+2n个OH-
              • 4.加电子以平衡电荷，完成配平
              • 例题
            • 注意介质条件
              • 在酸介质中不应出现碱性物质
              • 在碱介质中不应出现酸性物质
          • 影响电极电势的因素——能斯特方程式
            • 对于任意给定的电极，电极反应通式为
            • 离子浓度对电极电势的影响，可从热力学推导：
            • 能斯特方程式（电极电势的能斯特方程式）
            • eg
            • 纯固体、纯液体不出现在对数项中
            • 例题
              • O2和氧结合态物质作为氧化态时的氧化能力随酸度的降低而降低
              • O2在酸性溶液中氧化能力强，而中性、碱性溶液氧化能力减弱
          • 例题
  • 3.2 电极电势的应用——能斯特方程
    • 3.2.2.1 计算原电池的电动势
      • 电池电动势（E池）
        • 电池正负电极之间的电势差
      • 若两电极的各物质均处于标准状态，则原电池具有标准电动势E池
      • 非标准状态时，应先用能斯特方程算出正负极电极电势再由 E池=E+ - E- 求出电池的电动势
      • 例题
    • 3.2.2.2 判断氧化还原反应进行的方向
      • 在恒温、恒压，无限缓慢和可逆条件下， 原电池输出的最大电功w = 电池反应过程中吉布斯自由能的变化 则有 -△G=w 而电功w = 电子总电量和电动势E的乘积 如果电池反应中有1mol电子通过外电路，就会产生1F（1法拉第，即96500C·mol-1）的电量，n mol电子就有n F电量， 这时它所做的电功 w = nFE
      • • E池>0，反应正向自发进行
        • E池<0，反应逆向自发进行
      • 例题
    • 3.2.2.3 判断氧化剂、还原剂的相对强弱
      • 最强的还原剂：Li
      • 最强的氧化剂：F2
      • 例题
    • 3.2.2.4 确定氧化还原反应进行的限度
      • T为298.15K，F为96500C·mol-1，R为8.314J·mol·K-1时
        • n为电池反应所转移的电子数
      • 例题
  • 3.3 化学电源
    • 分类
      • 一次电池（原电池）
      • 二次电池（蓄电池）
      • 燃料电池
    • 3.3.1 一次电池
      • 普通Zn——Mn电池
      • 银锌(Ag——Zn)电池
    • 3.3.2 二次电池
      • 铅蓄电池
    • 3.3.3 燃料电池
      • 连续地将 燃料 和 氧化剂 的化学能直接转换成电能
      • 节能
        • 能量转化率超过80% > 普通燃烧过程(能量转换率仅30%多)
        • 组合成燃料电池发电站
          • 巨大经济优势
          • 排放废弃物少
          • 噪音低
      • 组成：电极、电解质、燃料和氧化剂
    • 3.3.4 绿色电池
      • 锂电池
        • 以金属锂或含锂物质为负极的化学电源
        • 锂最轻，又具有最低的电负性(-3.045V)，所以选择适当的正极与之匹配，可获得较高的电动势
        • 特点：体积小，比能量高，单电池的输出电压高达4.2V
      • 钠硫电池
  • 3.4 电解技术
    • 电解池
      • 定义：把 电能 转化为 化学能 的装置
      • 组成：两个电极、电解质溶液、直流电源
      • 电极
        • 阳极：与外电源 正极 相连的电极，出 电子，氧化 反应
        • 阴极：与外电源 负极 相连的电极，进 电子，还原 反应
    • 阴极
      • 阳离子放电，得电子能力强先放电
    • 阳极
      • 阴离子放电或电极放电，失电子能力强先放电
      • 若阳极是活泼金属(金属活动顺序表Ag以前)，溶液中的阴离子一律不放电，而是电极材料失电子
      • 若阳极是惰性(Pt、Au、石墨)，则放电顺序如下：
    • 电极材料
      • 惰性电极：C、Pt、Au等，不反应
      • 活泼电极：Fe、Cu、Ag等，做阴极本身不反应 做阳极，本身被氧化溶解
    • 氯碱工业
      • 工业上用电解饱和食盐水的方法来制取NaOH、Cl2和H2，并以它们为原料生产一系列化工产品
      • 反应原理
      • 总反应
    • 3.4.4 电镀
      • 定义：利用电解原理在某些金属表面镀上一层其他金属或合金的过程
      • 目的：使金属增强抗腐蚀能力，增强美观和表面硬度
      • 条件
        • 阳极：镀层金属
        • 阴极：待镀金属
        • 电解液：含镀层金属离子的电解质溶液
      • 电镀池（电解精炼铜）
  • 3.5 电化学腐蚀（金属的腐蚀与防护）
    • 铜绿 Cu2(OH)2CO3
    • 铁锈 Fe2O3·XH2O
    • 3.5.1 电化学腐蚀
      • 差异充气腐蚀
      • 防止金属腐蚀
        • 牺牲阳极的阴极保护法（原电池原理）
        • 外加电流的阴极保护法
        • 缓蚀剂法
          • 把少量的缓蚀剂(如万分之几)加到腐蚀性介质中
          • 无机缓蚀剂
            • 在中性或碱性介质中主要采用无机缓蚀剂
            • 在金属表面形成氧化膜或沉淀物
            • 铬酸盐、重铬酸盐、磷酸盐、碳酸氢盐等
          • 有机缓蚀剂
            • 在酸性介质中，一般是含有N、S、O的有机化合物
            • 乌洛托品、若丁