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第八章 电解与极化
§8.1 分解电压与极化作用
8.1.1 分解电压
1、理论分解电压
使某电解质溶液能连续不断发生电解时所必须外加的最小电压,在数值上等于该电解池作为可逆电池时的可逆电动势:
2、分解电压的测定
使用Pt电极电解HCl,加入中性盐用来导电,实验装置如图所示。
逐渐增加外加电压,由安培计G和伏特计V分别测定线路中的电流强度I 和电压E,画出I-E曲线。
外加电压很小时,几乎无电流通过,阴、阳极上无H2 (g) 和Cl2(g)放出。
随着E的增大,电极表面产生少量氢气和氯气,但压力低于大气压,无法逸出。
所产生的氢气和氯气构成了原电池,外加电压必须克服这反电动势,继续增加电压,I 有少许增加,如图中1-2段。
当外压增至2-3段,氢气和氯气的压力等于大气压力,呈气泡逸出,反电动势达极大值 Eb,max。
再增加电压,使I 迅速增加。将直线外延至I = 0 处,得E(分解)值,这是使电解池不断工作所必需外加的最小电压,称为分解电压。
3、实际分解电压
要使电解池顺利地进行连续反应,除了克服作为原电池时的可逆电动势外,还要克服由于极化在阴、阳极上产生的超电势和,以及克服电池电阻所产生的电位降IR。这三者的加和就称为实际分解电压。
显然分解电压的数值会随着通入电流强度的增加而增加。
8.1.2 极化作用
1、定义
当电极上无电流通过时,电极处于平衡状态,这时的电极电势分别称为阳极可逆(平衡)电势和阴极可逆(平衡)电势
在有电流通过时,随着电极上电流密度的增加,电极实际分解电势值对平衡值的偏离也愈来愈大,这种对可逆平衡电势的偏离称为电极的极化。
根据极化产生的不同原因,通常把极化大致分为两类:浓差极化和电化学极化。
2、浓差极化
由于电极表面浓度偏离本体溶液的浓度而产生的极化称为浓差极化。
由浓差极化产生的超电势称为浓差超电势。
成因:电极附近浓度与本体浓度不同;
后果:使阳极电势增大,阴极电势降低;
用搅拌和升温的方法可以减少浓差极化。
也可以利用滴汞电极上的浓差极化进行极谱分析。
【例1】将两根银电极插到浓度为0的AgNO3溶液中进行电解
阴极反应:Ag+ + e ( Ag
由于Ag+从溶液本体相向电极迁移速率小于Ag+在阴极上的还原速率,就使得在电极表面附近Ag+的浓度C ′低于体相溶液中Ag+ 的浓度C0 。
在没有或电流I→0时,平衡电极电势:
在有电流I通过时,实际电极电势:
∵ c′ c0 ,
∴ E阴 E阴,平
2、电化学极化
由于电极上发生的电化学反应的迟缓性引起的极化称为电化学极化。
例1:将两根银电极插到浓度为C0的AgNO3溶液中进行电解
阴极还原反应:Ag+ +e( Ag
反之,当电流通过电极时,阳极上的氧化反应来不及补充电极
上被外界取走的电子,使电极表面的电子数比平衡状态下少,导
致电极电势向正的方向移动。
3、超电势
在某一电流密度下,实际发生电解的电极电势与可逆电极电势
之间的差值称为超电势。
阳极上由于超电势使电极电势变大,阴极上由于超电势使电极电势变小。
为了使超电势都是正值,把阴极超电势和阳极超电势分别定义为:
4、氢超电势
在电流密度较大时,塔菲尔(1905J的定量关系经验方程——塔菲尔方程:
η= a + b ln J
式中——ab:塔菲尔常数
常数a
常数b0.050V。
5、电解池与原电池(化学电源)极化的差别
由于超电势的存在,阳极极化使得阳极电极电势升高( E阳 =E阳 ,平+(阳);
阴极极化使得阴极电极电势下降( E阴=E阴 ,平- (阴 )
实际电极电势偏离平衡电极电势的程度随电流密度J的增大而增大。
6、极化曲线(polarization curve)
超电势或电极电势与电流密度之间的关系曲线称为极化曲线,极化曲线的形状和变化规律反映了电化学过程的动力学特征。
(1)电解池中两电极的极化曲线
随着电流密度的增大,两电极上的超电势也增大。
阳极析出电势变大, 阴极析出电势变小
由于极化使外加的电压增加,额外消耗了电能。
(2)原电池中两电极的极化曲线
原电池中,负极是阳极,正极是阴极。
随着电流密度的增加,阳极析出电势变大,阴极析出电势变小。
由于极化,使原电池的作功能力下降。
利用这种极化降低金属的电化腐蚀速度。
§8.2 电解时电极上的竞争反应
8.2.1 金属的析出
1、阴极上的反应 电解时阴极上发生还原反应
发生还原的物质通常有:(1)金属离子;(2)氢离子(中性水溶液中)。
判断在阴极上首先析
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