物理化学第五节、原电池教程分析.ppt

第五节、 电池的电动势 一、原电池 将化学能转变为电能的装置称为原电池，简称电池。在等温等压条件下，如果电池是以热力学可逆的方式工作的，则体系的吉布斯能的减少等于体系所作的最大非体积功W’max(电功)： － (ΔrGm)T,P=Wmax 一、可逆电池与不可逆电池 可逆电池的热力学 由热力学原理可知，当化学能以可逆方式转变为电能时，电化学体系吉布斯能的降低值-(ΔrG)T,P等于体系对外所作最大功Ｗ’max， ΔrGm =-W’max= -ZFE 借助于不同温度下的可逆电池电动势的测定，可进一步求得相应电池反应的各热力学函数的变化。因此，研究可逆电池热力学十分有意义。 一、电池反应的能斯特方程 第十节 生物膜电势简介 70年代以来，一门处于电化学、生物化 学、和生理学等多学科交叉点上的边缘科学生物电化学发展非常迅速。所谓生物电化学可以定义为应用电化学的基本原理和实验方法来研究生物体系分子和细胞水平上电荷能量传输运动规律及对生物体系活性功能影响的学科。其中生物膜电势是其研究的重要内容之一。现对生物膜电势的产生及人们对膜电势的研究应用做一简介。 ? 生物化学研究表明，由于“K+、Na+泵”的作用，使细胞膜内外K+的浓度相差极大，例如静止神经细胞内液体中K+的浓度是细胞外的35倍左右。 在膜两边由于某离子浓度不等可产生电势差，这就是膜电势。 * * 根据电池反应的化学计量式，当反应进度ζ=1mol，需Z摩尔电子参与电池反应，每摩尔进度电池反应所通过的电量为Q=ZF，则等温等压下，进度为1时电池反应的吉布斯能变化可表示为： － (ΔrGm)T,P=Wmax=QE=ZFE (ΔrGm)T,P=Wmax=QE=－ZFE 或： 式中E为电池电动势，此式是将热力学与电化学联系在一起的重要关系式。研究可逆电池电动势非常有意义，一是可借助热力学的知识计算化学能转变为电能的理论转化量，从而为提高电池性能提供依据；二是为势力学问题的研究提供了电化学的手段和方法。 1. 可逆电池的3个条件 如电动势为E的铜锌电池，将一外加电动势E’与之相联。 当E E’，电池将放电 (1) 化学反应可逆，即电池充、放电反应互为逆反应 可逆电池的概念十分重要，因为只有可逆电池才能进行严格的热力学处理。 负 极 ZnSO4溶液 Zn Cu e- e- 素烧瓷 铜-锌电池示意图 E’ 正 极 CuSO4溶液 负极反应 Zn ?? Zn2+ + 2e? 正极反应 Cu2+ + 2e? ?? Cu 电池反应 Zn + CuSO4 ?? Cu + ZnSO4 阴 极 ZnSO4溶液 Zn Cu e- e- 素烧瓷 铜-锌电池示意图 E’ 阳 极 CuSO4溶液 当EE’，电池将充电 一、可逆电池与不可逆电池 阴极反应 Zn 2+ + 2e? ?? Zn 阳极反应 Cu ?? Cu 2+ + 2e? 电池反应 Cu + ZnSO4 ?? Zn + CuSO4 可以看出，铜锌电池的化学反应可逆 （2）能量的转换必须可逆，即电池充放 电时电流无限小。 （3）其它过程可逆。 同时满足以上条件的电池即是可逆电池，构成可逆电池的电极都是可逆电极。 一、可逆电池与不可逆电池 若电池充、放电时，反应不可逆，则为不可逆电池。如将金属铜和锌插入稀硫酸中构成的电池就不是可逆电池。 Zn Cu H2SO4 正极反应 2H+ + 2e? ?? H2 负极反应 Zn ? 2e? ?? Zn2+ 电池反应 Zn + 2H+ ?? Zn2+ + H2 当E E’，电池将放电 E’ 2. 不可逆电池 当E E’ ，电池将充电 正极反应 Cu－2e? → Cu2+ 负极反应 2H＋ ＋2e → H2 电池反应 Cu＋2H+ → Cu2+＋ H2 由此可见，该电池的电极不可逆，是不可逆电池。 二、可逆电极的类型 1. 第一类电极 主要包括金属电极和气体电极 （1）将金属插入含有该金属离子的溶液中，构成的电极为金属电极。 如Cu (s)插在CuSO4溶液中构成的金属电极 当电极作为正极时 电极表示 CuSO4(aq)∣Cu (s) 电极反应 Cu2+ (aq) + 2e? ?? Cu (s) 当电极作为负极时 电极表示 Cu (s) ∣CuSO4(aq) 电极反应 Cu (s) ?? Cu2+(aq) + 2e? Cu CuSO4 一些活泼的金属，可