电化学基础知识及其应用.doc

电化学基础知识及其应用 1 原电池及其应用 原电池是将化学能转化为电能的装置 1.1 原电池原理 1.1.1 原电池装置构成 ①两个活泼性不同的电极； ② 电解质溶液或熔融的电解质 [说明] 原电池的两极分别称为正极和负极。两极中相对活泼（易失电子）的作为负极，相对不活泼的为正极。负极应要能与电解质溶液发生自发的氧化反应。当两电极材料均插入电解质溶液中并将两极相连构成闭合电路，原电池装置才能发生电化反应产生电流。 1.1.2 原电池发电原理及电极反应 将铜片和锌片平行地插入稀硫酸溶液中，则构成了原电池。若将两极用导线相连，则有电流产生。“发电”的原理说明如下 ： 由于锌比铜活泼，易失电子，Zn为负极，Cu则为正极。两极相连后，Zn自发失去电子，不断“溶解”，形成Zn2+进入溶液。锌片失去的电子沿外电路到达铜片，此时溶液中阳离子 H+ 在铜片表面获得电子，形成 H2 逸出。与此同时溶液中的阴离子（SO42-，OH-）移向负极，阳离子（H+）移向正极（电池内部离子的迁移是由化学势所推动的，即非电场力做功完成）。由于电池工作时，电子能自发地从负极经外电路流向正极，在电池内部，溶液中离子能自发地迁移，这样电池就向外提供电能，发电了。 电极反应式表示如下 负极（Zn） Zn – 2e- = Zn2+ (负极发生失电子的氧化反应，流出电子) 正极（Cu） 2H+ + 2e- = H2 ↑ (正极发生得电子的还原反应，流进电子) 总反应式 Zn + 2H+ = Zn2+ + H2↑ 从上分析可知 此例正极材料本身并无参与电极反应，仅起作导体作用而已。因此，正极材料若换为活泼性比锌差的导体为电极（如石墨），效果一样。 1.2 原电池的应用 主要有两方面：其一，利用原电池自发进行的氧化还原反应，开发化学电源；其二，抑制原电池反应发生，应用于金属腐蚀的防护。 1.2.1 常见的化学电源 锌-锰干电池 正极-石墨棒，负极-锌筒, 电解质-淀粉湖-NH4Cl与碳粉、MnO2的混合物。 负极反应：Zn-2e- =Zn2+ ，正极反应： 2NH4+ + 2e- =2NH3 + H2 ，2MnO2 + H2 = Mn2O3 + H2O； 电池反应：Zn + NH4Cl + MnO2 = ZnCl2 + 2NH3 + Mn2O3 + H2O 铅蓄电池 电解质溶液为(电解液：1.25g/cm3~1.28g/cm3的H2SO4 溶液 放电时，负极-Pb： Pb-2e- + SO42- = PbSO4↓ ；正极-Pb（PbO2）：PbO2+2e-+4H++SO42-= PbSO4↓+2H2O 充电时，阴极： PbSO4 + 2e- = Pb + SO42- 阳极：PbSO4↓-2e- + 2H2O = PbO2 + 4H++SO42- ； 锌-银钮扣电池 锌为负极，氧化银为正极，KOH溶液为电解质溶液。 负极(Zn): Zn – 2e- + 2OH- = ZnO + H2O [电极上Zn–2e-=Zn2+,溶液中Zn2++2OH-=Zn(OH)2 ,Zn(OH)2= ZnO +H2O ] 正极(Ag2O): Ag2O + 2e- + H2O = 2Ag + 2OH- ;电池总反应 Zn + Ag2O = ZnO + 2Ag 燃烧电池 利用可燃物与O2的反应开发的电源，燃料电池与普通电池的区别:不是把还原剂、氧化剂物质全部贮藏在电池内，而是工作时不断从外界输入，同时电极反应产物不断排出电池。燃料电池的原料，除氢气和氧气外，也可以是CH4、煤气、燃料、空气、氯气等氧化剂。常见有：氢氧燃烧电池、烃类（如 CH4、C2H6）燃烧电池、醇类（如CH3OH 、C2H5OH） 燃烧电池、肼(H2N-NH2)--空气燃料电池等。 1.2.2 金属的腐蚀及防护 （1）金属的腐蚀 金属或合金跟周围接触到的物质(气体或液体)进行化学反应而损耗的过程即为金属的腐蚀。 若金属与接触到的物质直接发生氧化还原反应而引起的腐蚀称为化学腐蚀，此类腐蚀无电流产生；若合金或不纯金属，接触到电解质溶液而构成了原电池，其中活泼的金属作负极，失去电子而被氧化的腐蚀称电化腐蚀,此类腐蚀拌随有电流的产生。电化腐蚀又分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀，两者的比较见下表 析氢腐蚀 吸氧腐蚀 条 件 水膜酸性较强 水膜酸性很弱或非酸性 正极反应 2H+ + 2e- = H2 ↑ O2 + 2H2O + 4e-=4OH- 负极反应 Fe – 2e- = Fe2+ 其它 ---------------- Fe2++2OH-=Fe(OH)2 ；4Fe(OH)2+