原电池PPT学习教案

1、会计学1原电池原电池以Cu Zn 电池为例ZnCuZnSO424SO22,CuZn原电池:（）阳极 氧化反应 ( + ) 阴极 还原反应CueCu22阴极（+）阳极（-）eZnZn22电池反应22ZnCuCuZn向正极迁移,1.22,CuZn向负极迁移24SO2. 负极发生氧化反应， 正极发生还原反应 电解池:（）阴极 还原反应 ( + ) 阳极 氧化反应CuSO4第1页/共64页二. 可逆电池 可逆电池必须满足的条件:1. 电池的化学反应必须是可逆的, 即放电反应 是充电反应的逆反应;2. 电池工作时能量的转移是可逆的 , 即电池在 接近平衡状态下工作. 也就是在电流 I0 的 条件下工作.

2、 第2页/共64页例如 下列电池在 I0时, 就是一个可逆电池2()()()( )()Pt HpH C l aAgC l sAg原电池反应22( )( )22( )AgCl sHpAgHCl a电解池反应：222( )2( )( )AgHCl aAgCl sHp第3页/共64页不可逆电池：() ZnHCl (a)Ag ( + )电池反应：222ZnHClZnClH2222( )HClAgHAgCl s电解池反应第4页/共64页 研究可逆电池电动势。 一方面它能指示化学能转化为电能的最高极限，从而为改善电池性能提供依据； 另一方面，在研究可逆电池电动势的同时，也为解决热力学问题提供了电化学的手段

3、和方法。第5页/共64页三. 可逆电极的类型和电极反应 1. 金属电极 zMsM)(zMz eM2)(CusCu2)(ZnsZnAgsAg)(22CueCu22ZneZnAgeAg 对活泼金属，Li、Na、K等，通常将金属溶解在Hg中，形成汞齐。NaaHgNa)()()NaHgeNa Hg第6页/共64页2 . 非金属电极( 也称气体电极)由非金属单质与含该元素的溶液组成HgHPt)(2OHgHPt)(2HgOPt)(2OHgOPt)(2ClgClPt)(2222HeH22442OHeH O22222H OeHOH22244OH OeOH222CleCl第7页/共64页3. 金属和金属难溶盐电

4、极（含难溶氧化物电极）ClsAgClsAg)()(ClsClHglHg)()(222442)()(SOsSOHglHg22222Hg CleHgClAgCleAgCl224422Hg SOeHgSO第8页/共64页 难溶氧化物电极是将金属覆盖一薄层该金属的氧化物，然后浸在含有 和 的溶液中而构成HOHHsHgOlHg)()(222HgOHeHgH OOHsHgOlHg)()(222HgOH OeHgOH 第三类电极由于具备比较容易制备、使用方便、电极电势较稳定等特点，该类电极在应用中具有较重要的意义，常用来做参比电极。第9页/共64页4. 氧化还原电极32, FeFePtHCrOCrPt,32

5、72HQHQPt,232FeeFe2327214627Cr OHeCrH O222QHeH Q第10页/共64页四. 电池表示法电池符号的书写规则：1. 正极写在右边，负极写在左边，电解质溶液写在两电极中间2. 注明电池物质及其状态，物质用化学式表示。如气体 H2(P)、 液体Br2(l)、固体Ag(s)、溶液ZnSO4(b)等。3. 两相分界面及可混溶的两种液体的接界，用“”表示 , “”表示盐桥。4.气体电极或氧化还原电极, 必须用惰性金属作为电子传导体. 惰性金属一般用 Pt 。5. 要注明电池所处的温度和压力, 若不写明, 则为298K, P 第11页/共64页AgsAgClaClaH

6、pHtP)()()()(212AgsAgClkgmolHClpHPt)()01.0()(12CukgmolCukgmolZnZn)1.0()1.0(1212)()()()(4244lHgsSOHgCdSOsCdSOCd饱和（1）、（2）为双液电池， （3）、（4）为单液电池。 第12页/共64页五. 电池符号和电池反应的“互译” 1. 由电池符号写电池反应 先写出正负极反应 , 将两电极反应相加即得电池反应 写电极和电池反应时要遵守物料平衡和电荷平衡AgsAgClkgmolHClpHPt)()01.0()(12电池1)01. 0(22)(2)(12kgmolHClAgsAgClpHeHPH22

7、)(2ClAgesAgCl222)(2（）（+）第13页/共64页电池 2AgaAgNOaAgNOAg)()(2313)()(12aAgaAg电池1- 化学电池 ； 电池2 - 浓差电池eaAgAg)(1（）（+）AgeaAg)(2第14页/共64页2. 由电池反应写电池符号1) 化学反应是氧化还原反应将发生氧化反应的电对作负极，发生还原反应的电对作正极)(2)()(2212aHClpClpHPtpClaHClpHPt)()()(2212验证：eHpH22)(12ClepCl22)(22（-）（+）电池反应)(2)()(2212aHClpClpH第15页/共64页OHpOpH22212)(21

8、)(PtpObHpHPt)()()(2212验证： （-）eHpH22)(12（+）OHeHO222221OHpOpH22212)(21)(第16页/共64页OHpOpH22212)(21)(PtpObOHpHPt)()()(2212验证： （-）（+）OHpOpH22212)(21)(eOHOHpH222)(212OHeOHO222122第17页/共64页2) 化学反应不是氧化还原反应 根据反应物和产物的类型，先确定其中的一个电极，另一电极则由总反应减去前一电极反应而得)()(2212PHpHPtpHbHpHPt)()()(2212验证：ebHpH2)(2)(12)(2)(222pHebH（

9、-）（+）电池反应)()(2212pHpH第18页/共64页ClAgsAgCl)(先确定电极ClsAgClAg)(作正极正极反应ClAgeAgCl负极反应ClAgsAgCl)(ClAgesAgCl )(eAgAg负极AgAg电池符号AgsAgClClAgAg)(第19页/共64页 6-2 电极电势和可逆电池电动势一. 电极电势与活度的关系-Nernst方程 - 电极电势 ( V ) （金属与溶液界面的电势差） - 标准电极电势 ( V )在消除液接电势的情况下（对双液电池） 电池电动势标准电动势 EE第20页/共64页液接电势- 是由两种不同的电解质溶液间或不同浓度 的同种电解质溶液间界面上产

10、生的电势差KCl（C）HCl（C）K+迁移速率相对较慢H+迁移速率相对较快KCl（C）HCl（C）产生的原因：是由于溶液中不同离子的迁移速率不同 而引起的第21页/共64页消除液接电势的方法 - 在两个溶液间插入盐桥可避 免或减少液接电势 如何选择盐桥中的电解质？1. 盐桥中电解质的正、负离子的迁移速率接近相等，即tt2. 盐桥中的电解质不能与原电池中的电解质发生作用常将盐桥中的电解质配置成饱和溶液第22页/共64页电极反应dneOxRoReOROxdaanFRT)()(lnRe- Nernst方程1. R = 8.314 J / Kmol ; T : K2. 纯固体、纯液体, a = 1 ;

11、 理想气体 a用 (P / P ) 代替 ; 稀溶液 a 用 (b / b ) 代替. 3. 和 都是强度性质, 与电子转移的多少无关; 也与其作为正极, 还是负极无关.4. 电极反应中, 除了氧化态和还原态物质以外, 还有其 它的物质参与了反应, 则该物质的活度(或分压)也要 表示在Nernst方程中.第23页/共64页例1例22)(CusCuCueCu222221ln2/CuCuCuCuCuaFRTHgHPt)(2222HeH2/)(/ln2222HHHHHHaPPFRT例3HQHQPt,2QHeHQ2222/)(ln2222HQQHQHQQHQaaaFRT第24页/共64页例5例4Cls

12、ClHglHg)()(222/)ln(22222ClHgClHgHgClHgaFRTClHgeClHg2222232, FeFePt23FeeFe322323ln/FeFeFeFeFeFeaaFRT第25页/共64页将待测电极与标准氢电极组成原电池:二. 标准电极电势规定: 标准氢电极的电极电势为零)1()(2aHPHPt02HH待测电极)1()(2aHPHPt待测氢待测E第26页/共64页待测符号规定： 若待测电极实际发生的是还原反应, 则 取正值 ; 若待测电极实际发生的是氧化反应, 则 取负值 ; 按此规定得到的电极电势称为还原电势.CuaCuaHPHPt)1()1()(22如测得 E

13、= 0.3402 V , 则 VCuCu3402. 0/2ZnaZnaHPHPt)1()1()(22 测得 E = 0.7628 V , 则 VZnZn7628. 0/2第27页/共64页 显然, 电极电势越大, 氧化还原电对中的氧化态物质的氧化能力越强 ; 还原态物质的还原能力越弱 ; 反之 , 电极电势越小 , 氧化态物质的氧化能力越弱 ; 还原态物质的还原能力越强 . 第28页/共64页三. 电动势与活度的关系-Nernst方程 设一定温度压力下的电池反应为:)()()()(ZYBAazZayYabBaaAbBaAzZyYmrmraaaaRTGGlnbBaAzZyYaaaaRTnFEnF

14、ElnbBaAzZyYaaaanFRTEEln-Nernst方程第29页/共64页应用Nernst方程应注意的几点事项:1. 若电池反应中的物质有纯固体和纯液体, 则其 a = 1; 2. 若有理想气体, 则用 P/P 代替公式中对应的活度 ;3. 若是稀溶液, 则用 b / b 代替公式中对应的活度 ;4. E是强度性质, 与得失电子的多少无关.第30页/共64页)(2)()(2212aHClpClpHPtpClaHClpHPt)()()(2212 单液化学电池ppppaFRTEEClHHCl222ln2ppppbbFRTEClH224)(ln2 从公式可以看出，公式中只含有一种电解质的平均

15、活度或平均活度系数，因此，可利用将电解质设计成单液化学电池的方法，通过测电池电动势，从而求电解质的平均活度系数。第31页/共64页 双液化学电池CdaCdSOaZnClZn)()(2412CdZnCdZn2222ln2CdZnaaFRTEE2222ln2CdCdZnZnbbFRTE 由于单个离子的活度系数无法测定，因此在计算这类电池的电动势时，常做如下近似处理：即22,ZnClZn42,CdSOCd假设每一种溶液中第32页/共64页 单液浓差电池PtpHkgmolHClpHPt)()01.0()(22112)()(2212pHpH2112ln2ln2ppFRTppppFRTE 这类电池的电动势

16、与电解质的浓度无关，也与标准电极电势无关。只与电极反应物质在电极上的浓度有关。第33页/共64页 双液浓差电池AgaAgaAgAg)()(21)()(12aAgaAg21lnaaFRTE 这类电池的电动势与两种电解质的活度有关，与标准电极电势无关。第34页/共64页6-3可逆电池热力学 一电池电动势与电池反应 rGm的关系在定温、定压、可逆过程中：qEWGmrnFFZnqnFEGmrnFEGmr第35页/共64页式中：n - 电池反应中在正极或负极上转移的电子的摩尔数E - 可逆电池的电动势。( v )F - Faraday常数，96485 c / mol 当 E 0 时，rG m 0，电池反

17、应可以自发进行。当 E 0，电池反应不可以自发进行第36页/共64页二. E 与 rSm 的关系STGrpr)(pmrTEnFS)(式中: pTE)(- 电池电动势的温度系数. ( VK-1)第37页/共64页 三. E 与 rHm 的关系mrmrmrSTGHpmrTEnFTnFEH)(第38页/共64页四. 电池反应的热效应五. 电池反应的标准平衡常数pmrRTEnFTSTQ)(RTnFEKlnnFEGmrKRT ln第39页/共64页PtlgHsBrHgbBrsAgBrAgK)()()()(29822时，电池例题：为的电动势与温度的关系)298(312. 004.68TE（E：mV ；T：

18、K )。计算电池放电 2F 电量时, 电池反 应的rGm、rSm、rHm、QR解: n = 2molE(298K)=0.06804V1310312. 0)(KVTEPkJGmr13.1306804. 09648521321.6010312. 0964852KJSmrkJHmr82. 41021.6029813.133kJQR95.171021.602983第40页/共64页 6-4 电动势的测定及其应用一电动势的测定 不能直接用伏特计测电动势的原因：1. 伏特计工作时需要有电流通过，当电流通过 溶液时，电池发生反应，使电池中的物质的 浓度发生改变，致使电动势发生变化.2. 电池本身有内阻，伏特

19、计量得的仅是不可 逆电池的端电压.第41页/共64页对消法（补偿法）测电动势的原理： 在待测电池上并联一个大小相等、方向相反的外加电势差，此时，待测电池中无电流通过，此外加电动势的大小即等于待测电池的电动势。第42页/共64页1.当双向开关打向标准电池，触 点在C点时，检流计中无电流 通过，则ACVEVsACACEVs2. 当双向开关打向待测电池，触点在H点时，检流计中无电流通过，则AHxVEV AHxsAHEEAC第43页/共64页二. 电动势测定的应用1. 判断反应趋势 电极电势越大, 氧化还原电对中的氧化态物质的氧化能力越强 ，越容易得到电子；电极电势越小 , 还原态物质的还原能力越强

20、，越容易失去电子。 因此，比较两个电极电极电势的大小即可判断反应的自发方向。第44页/共64页2. 求化学反应的标准平衡常数RTnFEKln第45页/共64页例1：求 KKClAgsAgCl时的在298)(解：先将反应设计成如下电池：AgsAgClClAgAg)(459.22298314. 8)5767. 0(964851lnRTnFEKVEAgAgAgAgCl5767. 07991. 02224. 0/101076. 1K第46页/共64页例2. 求下列反应在298K时的标准平衡常数)(2)()(2)(23222213aFeaHgaFelHg解：先将反应设计成如下电池：已知：VHgHg788

21、.0/22VFeFe771. 023/PtaFeaFeaHglHgPt)(),()()(3213222VEHgHgFeFe017. 0788. 0771. 0/2223324. 1298314. 8)017. 0(964852lnRTnFEK266. 0K第47页/共64页3求电解质溶液的离子平均活度系数 将待测电解质组装成单液原电池，然后测原电动势例1求HCl ( b ) 的 解组装原电池AgsAgClbHClpHPt)()()(2电池反应)()()(212bHClAgsAgClpH2lnlnaFRTEaFRTEEHCl)ln(2ln2bbFRTEaFRTEEbbRTFEEln2)(ln第4

22、8页/共64页4求溶液的PH值 测溶液的PH值，可将氢离子指示电极（如氢电极、玻璃电极、醌氢醌电极等）和一已知电极电势的参比电极组装成原电池，通过测电池的电动势而求得。常见的参比电极是甘汞电极。有饱和甘汞电极 0.24151mol/L甘汞电极 0.28030.1mol/L甘汞电极 0.3338VK / )298(温度影响)298(106 . 72415. 04T)298(104 . 22802. 04T)298(100 . 73338. 05T第49页/共64页第50页/共64页（1） 玻璃电极氢离子选择性电极是一种玻璃膜电极，其构造为Pt Ag AgCl (s)HCl (0.1 mol /

23、L)玻璃膜待测液（PH） 内参比电极内参比溶液 在膜的两侧会产生电势差，其值与两侧溶液的PH值有关，当膜内溶液的PH值固定时，则此电势差只随另一侧溶液的PH值而改变。第51页/共64页HaFRT1log303.2玻璃玻璃PHFRT303. 2玻璃玻璃电极的电极电势为 由于玻璃电极的标准电极电势随时间而变化，因此，在实际测量时，通常先用PH值已知的标准缓冲溶液进行标定，然后再对未知液进行测量。第52页/共64页测量 ：a）用已知PHs值的标准溶液与甘汞电极组成原电池， 测电池的电动势Es ;玻璃电极标准溶液( PHs )甘汞电极玻璃甘汞sEssPHFRTE303. 2玻璃甘汞- (1)第53页/

24、共64页b）用未知PHx值的待测溶液与甘汞电极组成原电池， 测电池的电动势Ex ;玻璃电极待测溶液( PHx )甘汞电极玻璃甘汞xExxPHFRTE303. 2玻璃甘汞- (2)第54页/共64页(2) (1) 式，并整理得：RTFEEPHPHsxsx303.2)(第55页/共64页2. 醌氢醌电极 醌氢醌是等分子的醌和氢醌借氢键而成的结晶化合物, 微溶于水(溶解度为0.005 mol / L ), 在水溶液中建立如下电离平衡:QHQQQH22OHOOHOHOHOOO+第56页/共64页电极反应为:QHeHQ2222222ln2HQQHQHQQHQaaaFRT由于其溶解度小, 所以 QHQaa

25、2HQHQQHQaFRT1log303. 222PHFRTQHQQHQ303.222第57页/共64页将醌氢醌电极与甘汞电极组成原电池:甘汞电极醌氢醌饱和的PH待测液Pt甘汞PHFRTEQHQ303.22RTFEPHQHQ303.2)(2/甘汞注意: 醌氢醌电极不适用碱性溶液, PH 8.5 时, 氢醌 分解.第58页/共64页例题： 有一个电池反应 Ag (s) + 0.5Cl2 (P ) = AgCl (s) 写出电池符号表示式, 并写出电极反应和电池反应进行验证; 计算25时，上述电池反应的K； (3) 计算25时, AgCl (s)的标准摩尔生成Gibbs自由能 fGm 和 fHm 。

26、已知，25时 (AgClAg)= 0.22 V； (Cl2Cl-）= 1.36 V 解：（1） Ag(s) AgCl(s) KCl (b) Cl2 ( P ) Pt () Ag(s) + Cl- AgCl(s) + e (+) 0.5Cl2 (P ) + e Cl- 电池反应 Ag (s) + 0.5Cl2 (P ) = AgCl (s)/31()0.66 10AgCl AgpV KT 2/31()1.26 10ClClPV KT 第59页/共64页(2) 40.44298314. 8)22. 036. 1 (964851lnRTnFEK191091. 1K(3)(, )()fmrmPEHAgCl sHnFEnFTT 2/()() ClClAgCl AgrmPPGnFTTT 3331