Chapter 4 电化学原理及应用
? 我们知道, ?rG?m是反应可以做有用功的量度
? 但并非只要 ?rG?m<0的反应一发生, 就一定做了有用功
? 如测定 R的实验 2Al + 6H+ == 2Al3+ + 3H2,?rG?m=- <0
? 除产生一点热外, 未做任何有用功
? 又如 ?rH?m的测定, ?rG?m<0,也只产生热,未做有用功
? 说明, 要利用化学反应做功, 必须借助于一定的 装置
? 如 汽油燃烧做功,要用发动机 ; 发射鱼雷,要蓄电池放电
化学能 → 热能 (第一章 ) 化学能 → 电能 (本章 )
? 本章要讨论,
? 1) 化学能 → 电能 的装置,原电池
? 2) 化工及工程技术领域, 如 黄金, 白银的提纯
电能 → 化学能 (电解 /电冶 ) 及 电能 → 化学能 (电镀 )
? 3) 金属的 腐蚀与防护
§ 4-1 原电池
? (一 ) 原电池的组装, 电极反应与电池符号
? 原电池,利用氧化 —还原反应, 使电子定向移动的装置
或 使化学能直接转化成电能的装置 。
? 显然, 凡原电池的反应, 都是有电子转移的反应：
氧化 —还原反应
? 最早发明的原电池 (Volta电池 )：
? 画图表示原电池不方便，因而用
电池符号 表示：
? 从 –极 ?+极 即 电势：低 ?高
? (–) Zn | H2SO4 | Cu (+)
? 极 界面 介质 界面 极
? 电极反应,(–) 极 Zn – 2e == Zn2+ 氧化反应
? (+) 极 2H+ + 2e == H2? 还原反应
? 电池反应, Zn + 2H+ == Zn2+ + H2? 氧化 —还原反应
e
Zn Cu
稀 H2SO4
- +
(+
? 如果换 Zn为 Al(及换 H2SO4为 HCl)即 R 测定实验反应：
(–) Al | HCl | Cu (+)
? 由于没有装配成原电池, 因此没有利用其电功
Volta电池能否长期放置？
? 后来又发明了 Daniel电池：
? 盐桥,连接内电路, 离
子自由通过
? 用高分子物质琼脂固定
的饱和 KCl或 KNO3溶液
? 离子移动方向,
Cl- ← ; K+→Zn Cu
?I
e
ZnSO4
m1
CuSO4
m2
+-
? 电池符号,(–) Zn | ZnSO4(m1) || CuSO4(m2) | Cu (+)
? 电极反应,(–)极 Zn – 2e == Zn2+ Oxidation 反应
? (+) 极 Cu2+ + 2e == Cu Reduction 反应
盐桥
? 电池反应,Zn + Cu2+ == Zn2+ + Cu Ox-Re 反应
? 又如, 发现 离子 的氧化 —还原反应, 也可装成原电池：
(–) (Pt) | Cr2+(m1),Cr3+(m2) || Fe3+(m3),Fe2+(m4) | (C) (+)
? 只另增加 惰性电极 (Pt),(C)引出电子和连接导线
? 惰性电极始终不参与反应, 常用惰性金属 铂, 碳棒 。
? 又如 气体, (–) Zn | Zn2+(m1) || H+(m2) | H2(p kPa) (Pt) (+)
? 因为 H2气体不导电, 所以用 Pt(铂黑 )来吸附氢气,使 H+与 H2在铂
黑上完成电子交换
当 m=m?,p=p?时，为标准氢电极
? 还比如, 浓度差 也能装成原电池：
? (–) Ag | Ag+(mr=0.1) || Ag+(mr=1.0) | Ag (+) —浓差电池
? 因此, 1) 任何一种氧化还原反应, 都能装成原电池
? 2) 任何两种金属插入电解质溶液都可构成原电池
? 如 (–) Zn | NaCl | Cu (+)
? 溶液中加一些尿素以消除电极极化, 两组串联可听收音机
? 有关原电池, 要注意：
? 1) 电子都只能经导线, 在外电路流动
所谓 电子走旱路不走水路
? 2) 负极在左, 从左到右, 电势逐渐升高, 正极在右
? 3) 电池符号中, 一个, |” 代表一个界面,, ||” 代表盐
桥
? 4) 同一溶液中,不同离子在负极按氧化数升高的顺序,
正极按下降顺序, 并用,,” 隔开, 且注明浓度 (如果已知 )
? 5) 惰性电极一般为 Pt和 C,在 必要时才使用, 如果已有
金属, 则不用惰性电极；书写时用括号括起来
? 任意氧化还原反应都可装成原电池, 如：
? 例,写出下列反应装成原电池的电池符号：
(NH4)2S2O8 + 3KI == (NH4)2SO4 + K2SO4 + KI3
? 已知 mr,0.2 0.4 0.3 0.6 0.05
? 解,有关物质的 氧化数 /化合价 变化：
S+7 I –1 S+6 S+6 I0
? 判断 +,– 极：
? 氧化反应 (–)极,3 I- – 2e == I3-
? 还原反应 (+)极,S2O82- + 2e == 2SO42-
? 故 电池符号 为：
(–) (Pt) | I-(0.4),I3-(0.05) || S2O82-(0.2),SO42-(0.9) | (C) (+)
? 又 例,3(NH4)2S2O8 + 2Fe == 3(NH4)2SO4 + Fe2(SO4)3
? 解,Ox数 变化, +7 0 +6 +3 +6
? +,–极,氧化反应 (–)极,2 Fe – 6e == 2 Fe3+
? 还原反应 (+)极,3S2O82- + 6e == 6SO42-
? 故 电池符号 为,(–) Fe | Fe3+ || S2O82-,SO42- | (C) (+)
习题, 1
原电池中几个常见概念
? (二 ) 电对, 电极与半电池
? 在原电池的每一个电极中, 一定包含一个 氧化态物质
和 一个 还原态物质
? 一个电极中的这一对物质称为一个 氧化还原电对, 简称
电对, 表示为,氧化态 /还原态
无论它做正极还是负极，都如此表示
? 如,Zn2+/Zn,Cu2+/Cu,Fe3+/Fe2+,Fe3+/Fe,Fe2+/Fe,
I3-/I-,H+/H2,S2O82-/SO42- 等 ——电对符号
? 电极,电对以及传导电子的导体, 如符号：
Zn | Zn2+,Cu | Cu2+,(Pt) H2 | H+,(C) | Fe2+,Fe3+
? 半电池,电池的一半, 通常一个电极即构成一个半电池,
两个半电池通过盐桥连接, 构成电池
我们知道，电极总是要产生一定电势的，称为电极电势
? 我们知道, ?rG?m是反应可以做有用功的量度
? 但并非只要 ?rG?m<0的反应一发生, 就一定做了有用功
? 如测定 R的实验 2Al + 6H+ == 2Al3+ + 3H2,?rG?m=- <0
? 除产生一点热外, 未做任何有用功
? 又如 ?rH?m的测定, ?rG?m<0,也只产生热,未做有用功
? 说明, 要利用化学反应做功, 必须借助于一定的 装置
? 如 汽油燃烧做功,要用发动机 ; 发射鱼雷,要蓄电池放电
化学能 → 热能 (第一章 ) 化学能 → 电能 (本章 )
? 本章要讨论,
? 1) 化学能 → 电能 的装置,原电池
? 2) 化工及工程技术领域, 如 黄金, 白银的提纯
电能 → 化学能 (电解 /电冶 ) 及 电能 → 化学能 (电镀 )
? 3) 金属的 腐蚀与防护
§ 4-1 原电池
? (一 ) 原电池的组装, 电极反应与电池符号
? 原电池,利用氧化 —还原反应, 使电子定向移动的装置
或 使化学能直接转化成电能的装置 。
? 显然, 凡原电池的反应, 都是有电子转移的反应：
氧化 —还原反应
? 最早发明的原电池 (Volta电池 )：
? 画图表示原电池不方便，因而用
电池符号 表示：
? 从 –极 ?+极 即 电势：低 ?高
? (–) Zn | H2SO4 | Cu (+)
? 极 界面 介质 界面 极
? 电极反应,(–) 极 Zn – 2e == Zn2+ 氧化反应
? (+) 极 2H+ + 2e == H2? 还原反应
? 电池反应, Zn + 2H+ == Zn2+ + H2? 氧化 —还原反应
e
Zn Cu
稀 H2SO4
- +
(+
? 如果换 Zn为 Al(及换 H2SO4为 HCl)即 R 测定实验反应：
(–) Al | HCl | Cu (+)
? 由于没有装配成原电池, 因此没有利用其电功
Volta电池能否长期放置？
? 后来又发明了 Daniel电池：
? 盐桥,连接内电路, 离
子自由通过
? 用高分子物质琼脂固定
的饱和 KCl或 KNO3溶液
? 离子移动方向,
Cl- ← ; K+→Zn Cu
?I
e
ZnSO4
m1
CuSO4
m2
+-
? 电池符号,(–) Zn | ZnSO4(m1) || CuSO4(m2) | Cu (+)
? 电极反应,(–)极 Zn – 2e == Zn2+ Oxidation 反应
? (+) 极 Cu2+ + 2e == Cu Reduction 反应
盐桥
? 电池反应,Zn + Cu2+ == Zn2+ + Cu Ox-Re 反应
? 又如, 发现 离子 的氧化 —还原反应, 也可装成原电池：
(–) (Pt) | Cr2+(m1),Cr3+(m2) || Fe3+(m3),Fe2+(m4) | (C) (+)
? 只另增加 惰性电极 (Pt),(C)引出电子和连接导线
? 惰性电极始终不参与反应, 常用惰性金属 铂, 碳棒 。
? 又如 气体, (–) Zn | Zn2+(m1) || H+(m2) | H2(p kPa) (Pt) (+)
? 因为 H2气体不导电, 所以用 Pt(铂黑 )来吸附氢气,使 H+与 H2在铂
黑上完成电子交换
当 m=m?,p=p?时，为标准氢电极
? 还比如, 浓度差 也能装成原电池：
? (–) Ag | Ag+(mr=0.1) || Ag+(mr=1.0) | Ag (+) —浓差电池
? 因此, 1) 任何一种氧化还原反应, 都能装成原电池
? 2) 任何两种金属插入电解质溶液都可构成原电池
? 如 (–) Zn | NaCl | Cu (+)
? 溶液中加一些尿素以消除电极极化, 两组串联可听收音机
? 有关原电池, 要注意：
? 1) 电子都只能经导线, 在外电路流动
所谓 电子走旱路不走水路
? 2) 负极在左, 从左到右, 电势逐渐升高, 正极在右
? 3) 电池符号中, 一个, |” 代表一个界面,, ||” 代表盐
桥
? 4) 同一溶液中,不同离子在负极按氧化数升高的顺序,
正极按下降顺序, 并用,,” 隔开, 且注明浓度 (如果已知 )
? 5) 惰性电极一般为 Pt和 C,在 必要时才使用, 如果已有
金属, 则不用惰性电极；书写时用括号括起来
? 任意氧化还原反应都可装成原电池, 如：
? 例,写出下列反应装成原电池的电池符号：
(NH4)2S2O8 + 3KI == (NH4)2SO4 + K2SO4 + KI3
? 已知 mr,0.2 0.4 0.3 0.6 0.05
? 解,有关物质的 氧化数 /化合价 变化：
S+7 I –1 S+6 S+6 I0
? 判断 +,– 极：
? 氧化反应 (–)极,3 I- – 2e == I3-
? 还原反应 (+)极,S2O82- + 2e == 2SO42-
? 故 电池符号 为：
(–) (Pt) | I-(0.4),I3-(0.05) || S2O82-(0.2),SO42-(0.9) | (C) (+)
? 又 例,3(NH4)2S2O8 + 2Fe == 3(NH4)2SO4 + Fe2(SO4)3
? 解,Ox数 变化, +7 0 +6 +3 +6
? +,–极,氧化反应 (–)极,2 Fe – 6e == 2 Fe3+
? 还原反应 (+)极,3S2O82- + 6e == 6SO42-
? 故 电池符号 为,(–) Fe | Fe3+ || S2O82-,SO42- | (C) (+)
习题, 1
原电池中几个常见概念
? (二 ) 电对, 电极与半电池
? 在原电池的每一个电极中, 一定包含一个 氧化态物质
和 一个 还原态物质
? 一个电极中的这一对物质称为一个 氧化还原电对, 简称
电对, 表示为,氧化态 /还原态
无论它做正极还是负极，都如此表示
? 如,Zn2+/Zn,Cu2+/Cu,Fe3+/Fe2+,Fe3+/Fe,Fe2+/Fe,
I3-/I-,H+/H2,S2O82-/SO42- 等 ——电对符号
? 电极,电对以及传导电子的导体, 如符号：
Zn | Zn2+,Cu | Cu2+,(Pt) H2 | H+,(C) | Fe2+,Fe3+
? 半电池,电池的一半, 通常一个电极即构成一个半电池,
两个半电池通过盐桥连接, 构成电池
我们知道，电极总是要产生一定电势的，称为电极电势
