物理化学电子教案第七章

上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5电能化学能电解电池物理化学电子教案—第七章上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5主要内容1.电化学的基本概念和法拉第定律2.离子的电迁移和迁移数3.电导4.强电解质溶液理论简介第七章电解质溶液上一内容下一内容回主目录返回2019/8/57.1电化学的基本概念和法拉第定律（1）基本概念研究对象电化学用途两类导体正极、负极阴极、阳极原电池电解池电流效率（2）法拉第定律定律的文字表示法拉第常数定律的数学式粒子的基本单元例题上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5电化学研究对象电能化学能电解电池电化学主要是研究电能和化学能之间的相互转化及转化过程中有关规律的科学。上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5电化学的用途⒈电解精炼和冶炼有色金属和稀有金属；电解法制备化工原料；电镀法保护和美化金属；还有氧化着色等。⒉电池汽车、宇宙飞船、照明、通讯、生化和医学等方面都要用不同类型的化学电源。⒊电分析⒋生物电化学上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5两类导体A.自由电子作定向移动而导电B.导电过程中导体本身不发生变化C.温度升高，电阻也升高D.导电总量全部由电子承担又称电子导体，如金属、石墨等。1.第一类导体上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5两类导体A.正、负离子作反向移动而导电B.导电过程中有化学反应发生C.温度升高，电阻下降D.导电总量分别由正、负离子分担⒉第二类导体又称离子导体，如电解质溶液、熔融电解质等。*固体电解质，如等，也属于离子导体，但它导电的机理比较复杂，导电能力不高，本章以讨论电解质水溶液为主。2AgBrPbI、上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5正极、负极电势低的极称为负极，电子从负极流向正极。在原电池中负极是阳极；在电解池中负极是阴极。负极：电势高的极称为正极，电流从正极流向负极。在原电池中正极是阴极；在电解池中正极是阳极。正极：上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5阴极、阳极发生还原作用的极称为阴极，在原电池中，阴极是正极；在电解池中，阴极是负极。阴极：(Cathode)发生氧化作用的极称为阳极，在原电池中，阳极是负极；在电解池中，阳极是正极。阳极：(Anode)上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5离子迁移方向离子迁移方向：AnionAnode阴离子迁向阳极CationCathode阳离子迁向阴极上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5原电池(galvaniccell)Cu2++2e-→Cu(S)发生还原作用，是阴极。电流由Cu极流向Zn极，Cu极电势高，是正极。Cu电极：Zn(S)→Zn2++2e-发生氧化作用，是阳极。电子由Zn极流向Cu极，Zn极电势低，是负极。Zn电极：上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5电解池(electrolyticcell)与外电源正极相接，是正极。发生氧化反应，是阳极。Cu(S)→Cu2++2e-电极②：与外电源负极相接，是负极。发生还原反应，是阴极。Cu2++2e-→Cu(S)电极①：①②上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5电流效率表示式（1）电流效率=×100%理论计算耗电量实际消耗电量表示式（2）电流效率=×100%电极上产物的实际量理论计算应得量上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5法拉第定律的文字表述Faraday’sLaw⒈在电极界面上发生化学变化物质的质量与通入的电量成正比。⒉通电于若干个电解池串联的线路中，当所取的基本粒子的荷电数相同时，在各个电极上发生反应的物质，其物质的量相同，析出物质的质量与其摩尔质量成正比。上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5法拉第定律的数学表达式取电子的得失数为z，通入的电量为Q，则电极上发生反应的物质的量n为：电极上发生反应的物质的质量m为：z-MeMAeAzzzQmnMMzFQnzFQnzF或上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5法拉第常数F=L·e法拉第常数在数值上等于1mol元电荷的电量。已知元电荷电量为191.602210C=6.022×1023mol-1×1.6022×10-19C=96484.6C·mol-1≈96500C·mol-1上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5荷电粒子基本单元的选取根据法拉第定律，通电于若干串联电解池中，每个电极上析出物质的物质的量相同，这时，所选取的基本粒子的荷电绝对值必须相同。例如：荷一价电阴极阳极2111H,Cu,Au2232211O,Cl42荷三价电阴极阳极23H,Au22233O,Cl42荷二价电阴极阳极22H,Cu,Au3221O,Cl2上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5荷电粒子基本单元的选取例题：通电于溶液，电流强度，析出。已知。求：⑴通入电量；⑵通电时间；⑶阳极上放出氧气的物质的量。33Au(NO)0.025AI-1M(Au)=197.0gmolAu(s)=1.20gQt上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5荷电粒子基本单元的选取解法一取基本粒子荷单位电荷：即211Au,O341-11.20g(1)196500Cmol197.0gmol/3=1763CQnzF41763C(2)7.0510s0.025AQtI23111(3)(O)(Au)431.20g1=4.5710mol4197.0gmol/3nn上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5荷电粒子基本单元的选取解法二⑵t同上取基本粒子荷3个基本电荷：即Au，23O41-11.20g(1)396500Cmol197.0gmol=1763CQnzF2313(3)(O)(Au)41.20g3=4.5710mol4197.0gmolnn上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5法拉第定律的意义⒈是电化学上最早的定量的基本定律，揭示了通入的电量与析出物质之间的定量关系。⒉该定律在任何温度、任何压力下均可以使用。⒊该定律的使用没有什么限制条件。上一内容下一内容回主目录返回2019/8/57.2离子的电迁移和迁移数•离子的电迁移现象•电迁移率和迁移数•离子迁移数的测定上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5离子的电迁移现象设想在两个惰性电极之间有想象的平面AA和BB，将溶液分为阳极部、中部及阴极部三个部分。假定未通电前，各部均含有正、负离子各5mol，分别用+、-号代替。上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5离子的电迁移现象上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5离子的电迁移现象设离子都是一价的，当通入4mol电子的电量时，阳极上有4mol负离子氧化，阴极上有4mol正离子还原。两电极间正、负离子要共同承担4mol电子电量的运输任务。现在离子都是一价的，则离子运输电荷的数量只取决于离子迁移的速度。上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5离子的电迁移现象1．设正、负离子迁移的速率相等，，则导电任务各分担2mol，在假想的AA、BB平面上各有2mol正、负离子逆向通过。rr当通电结束，阴、阳两极部溶液浓度相同，但比原溶液各少了2mol，而中部溶液浓度不变。上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5离子的电迁移现象上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5离子的电迁移现象2．设正离子迁移速率是负离子的三倍，，则正离子导3mol电量，负离子导1mol电量。在假想的AA、BB平面上有3mol正离子和1mol负离子逆向通过。3rr通电结束，阳极部正、负离子各少了3mol，阴极部只各少了1mol，而中部溶液浓度仍保持不变。上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5离子的电迁移现象上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5离子电迁移的规律：1.向阴、阳两极迁移的正、负离子物质的量总和恰好等于通入溶液的总电量。()2.()))QQrr(=(正离子所传导的电量极部电解质物质的量的极部电解质物质的量的负离子所传导的电量正离子的迁移速率负离子的迁移速率阳减少阴减少如果正、负离子荷电量不等，如果电极本身也发生反应，情况就要复杂一些。上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5离子的电迁移率(d/d)(d/d)rUElrUEl离子在电场中运动的速率用公式表示为：式中为电位梯度，比例系数和分别称为正、负离子的电迁移率，又称为离子淌度（ionicmobility），即相当于单位电位梯度时离子迁移的速率。它的单位是。UU211msVddEl电迁移率的数值与离子本性、电位梯度、溶剂性质、温度等因素有关，可以用界面移动法测量。上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5离子迁移数的定义把离子B所运载的电流与总电流之比称为离子B的迁移数（transferencenumber）用符号表示。Bt是量纲为1的量，数值上总小于1。Bt由于正、负离子移动的速率不同，所带的电荷不等，因此它们在迁移电量时所分担的分数也不同。BBdefItI其定义式为：上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5IQrUtIQrrUU迁移数在数值上还可表示为：1tt负离子应有类似的表示式。如果溶液中只有一种电解质，则：+1ittt如果溶液中有多种电解质，共有i种离子，则：离子迁移数的定义上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5离子迁移数的定义设相距为l、面积为A的两个平行惰性电极，左方接外电源负极，右方接正极，外加电压为E。在电极间充以电解质的溶液，它的浓度为c（单位为），解离度为。MNxy-3molm上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5离子迁移数的定义MNMN(1)zzxyxyccxcy设正离子迁移速率为，单位时间向阴极方向通过任意截面的物质的量为，所迁移的电量为，因为是单位时间，所以：rss'()molcxAr()cxArzF()IcxArzF()IcyArzF同理上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5离子迁移数的定义因为溶液是电中性的，所以xzyz()()IIIcxzArrFcyzArrFIrUtIrrUU（，电场梯度相同）ddrUEl上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5迁移数的测定方法1．Hittorf法在Hittorf迁移管中装入已知浓度的电解质溶液，接通稳压直流电源，这时电极上有反应发生，正、负离子分别向阴、阳两极迁移。小心放出阴极部（或阳极部）溶液，称重并进行化学分析，根据输入的电量和极区浓度的变化，就可计算离子的迁移数。通电一段时间后，电极附近溶液浓度发生变化，中部基本不变。上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5迁移数的测定方法上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5迁移数的测定方法Hittorf法中必须采集的数据：1.通入的电量，由库仑计中称重阴极质量的增加而得，例如，银库仑计中阴极上有0.0405gAg析出，14()0.0405g/107.88gmol3.75410moln电2.电解前含某离子的物质的量n(起始）。3.电解后含某离子的物质的量n(终了）。4.写出电极上发生的反应，判断某离子浓度是增加了、减少了还是没有发生变化。5.判断离子迁移的方向。上一内容下一内容回主目录返回2019/8/5迁移数的测定方法例题：在Hittorf迁移管中，用Cu电极电解已知浓度的溶液。通电一定时间后，串联在电路中的