气体电极过程PPT学习教案

1、会计学1气体气体(qt)电极过程电极过程第一页，共74页。第第1节节 研究气体电极过程的重要研究气体电极过程的重要(zhngyo)意义意义第第2节节 氢的阴极氢的阴极(ynj)过程过程第第3节节 氢的阳极氢的阳极(yngj)过程过程第第4节节 研究氧电极过程存在的困难研究氧电极过程存在的困难第第6节节 氧的阴极还原氧的阴极还原第第5节节 氧的阳极析出反应氧的阳极析出反应第1页/共74页第二页，共74页。第第1节节 研究研究(ynji)气体电极过程的重要意义气体电极过程的重要意义一、标准一、标准(biozhn)氢电极氢电极规定：“标准(biozhn)氢电极”的电极电势为零。 第2页/共74页第三

2、页，共74页。二、在工业二、在工业(gngy)上的应用上的应用(2)(2)电解水：电解水： 制取氢气制取氢气(qn(qn q) q)、氧、氧气气2、电池工、电池工业业燃料电池：氢氧燃料电池燃料电池：氢氧燃料电池锌空气电池、铝空气电池锌空气电池、铝空气电池1、电解工业、电解工业第3页/共74页第四页，共74页。三、水溶液中的电镀三、水溶液中的电镀(dind)第4页/共74页第五页，共74页。四、金属的腐蚀四、金属的腐蚀(fsh)过程过程析氢腐蚀析氢腐蚀(fsh)吸氧腐蚀吸氧腐蚀(fsh)当介质的酸性较大，如在酸性土壤中(pH4)、 钢铁酸洗时，阴极主要析出氢气。 腐蚀电池的反应为: 阴极：2H

3、+ (aq) + 2e = H2 (g) 阳极：Fe 2e = Fe2+Fe2+OH2e2H+ H2杂质析氢腐蚀析氢腐蚀第5页/共74页第六页，共74页。钢铁在大气中的腐蚀主要是吸氧腐蚀 反应式如下:阳极(yngj): 2Fe 4e= 2Fe2+ 阴极: O2 + 2H2O + 4e = 4OH 2Fe2+ + 4OH = 2Fe(OH)2 吸氧腐蚀吸氧腐蚀(fsh)五、生物体细胞内发生氧的还原五、生物体细胞内发生氧的还原(hun yun)过程过程第6页/共74页第七页，共74页。第第2节节 氢电极氢电极(dinj)的阴极过程的阴极过程一、氢离子在阴极一、氢离子在阴极(ynj)上的还原过程上的

4、还原过程电极表面附近液层）本体）(33OHOHOHMHeMOH231 1、液相传质、液相传质(chun zh)(chun zh)步骤步骤2 2、电化学反应步骤、电化学反应步骤Volmer反应反应第7页/共74页第八页，共74页。2HMHMH3 3、随后、随后(suhu)(suhu)转化步骤转化步骤（1）复合）复合(fh)脱附脱附Tafel反应反应(fnyng)OHHeOHMH223（2）电化学脱附）电化学脱附Heyrovsky反应反应4 4、新相生成步骤、新相生成步骤气泡22HnH 第8页/共74页第九页，共74页。（1）电化学反应步骤(bzhu)（快）+复合脱附（慢） 迟缓复合机理（2）电化

5、学反应步骤（慢）+复合脱附（快） 迟缓(chhun)放电机理（3）电化学反应步骤（快）+电化学脱附（慢） 电化学脱附机理电化学脱附机理（4）电化学反应步骤（慢）+电化学脱附（快） 迟缓放电机理迟缓放电机理第9页/共74页第十页，共74页。212I1II平21iH平二、析氢过电位及其影响二、析氢过电位及其影响(yngxing)因素因素第10页/共74页第十一页，共74页。cHIbalog229/100/10cmAIcmAc（1）金属材料本性）金属材料本性(bnxng)的影响的影响第11页/共74页第十二页，共74页。一些金属上氢阴极一些金属上氢阴极(ynj)析出时塔菲尔公式中常数析出时塔菲尔公式

6、中常数a和和b值值(t=200.2)第12页/共74页第十三页，共74页。第13页/共74页第十四页，共74页。（2）金属表面状态）金属表面状态(zhungti)的影响的影响一般粗糙金属表面析氢过电位一般粗糙金属表面析氢过电位(din wi)比光滑金属表比光滑金属表面析氢过电位面析氢过电位(din wi)低。低。（3）溶液）溶液(rngy)组成的影响组成的影响pH值变化的影响值变化的影响添加剂的影响添加剂的影响第14页/共74页第十五页，共74页。pH值变化值变化(binhu)的影响的影响第15页/共74页第十六页，共74页。pHV/7电解质总浓度为电解质总浓度为0.3mol/L，I=10-4

7、A/cm2时，时，Hg上析氢过电位与上析氢过电位与pH值之间的关值之间的关系系第16页/共74页第十七页，共74页。添加剂的影响添加剂的影响某些金属离子的影响某些金属离子的影响表面活性物质的影响表面活性物质的影响有机酸己酸分子对有机酸己酸分子对Hg上析氢过电位的影响上析氢过电位的影响第17页/共74页第十八页，共74页。第18页/共74页第十九页，共74页。第19页/共74页第二十页，共74页。（4）温度）温度(wnd)的影响的影响第20页/共74页第二十一页，共74页。三、析氢反应过程三、析氢反应过程(guchng)的机理的机理第21页/共74页第二十二页，共74页。OHHeOHad23在在

8、Hg电极电极(dinj)上氢析出为例上氢析出为例第22页/共74页第二十三页，共74页。时0iIccHInFRTinFRTlg303. 2lg303. 20VnFRTb118. 0303. 2与大量与大量(dling)的实验事实相符，该机理成立的实验事实相符，该机理成立5 . 0一般一般 则可估算在则可估算在 25，n=1时：时：第23页/共74页第二十四页，共74页。OHHeOHad23在在Hg电极电极(dinj)上氢析出为例上氢析出为例2HMHMH处于平衡状态处于平衡状态第24页/共74页第二十五页，共74页。VFRTb0295. 02303. 2与大量的实验事实与大量的实验事实(shsh

9、)不相符，该机理不成立不相符，该机理不成立在在 25时：时：cMHHIFRTFkFRTlg2303. 22lg2303. 220cHIFRTlg2303. 2常数第25页/共74页第二十六页，共74页。0lnMHMHHFRT平有电流通过时，电极(dinj)上吸附氢的表面覆盖度由于汞电极上氢的吸附覆盖度很小，可以(ky)用 和 代替活度 和 电化学步骤处于平衡状态，可用Nernst方程无电流通过，有电流通过，则析氢过电位0MHMH0MHMH0MHaMHa00lnMHHHaFRT平MHHHaFRTln0)exp(0HMHMHRTF第26页/共74页第二十七页，共74页。22MHcFkI)exp(0

10、HMHMHRTF)2exp()(2)exp(22020HMHHMHcRTFFkRTFFkI对上式取对数(du sh)HMHcRTFFkI2)(2lnln20代入上式第27页/共74页第二十八页，共74页。cMHHIFRTFkFRTlg2303. 22lg2303. 220cHIFRTlg2303. 2常数cMHHIFRTFkFRTln22ln220第28页/共74页第二十九页，共74页。OHHeOHad23在在Hg电极电极(dinj)上氢析出为例上氢析出为例处于平衡状态处于平衡状态OHHeOHMH223第29页/共74页第三十页，共74页。VFRTb039. 0)1 (303. 2与大量的实验

11、事实不相符与大量的实验事实不相符(xingf)，该机理不成立，该机理不成立在在 25时：时：cHIFRTlg1303. 2常数5 . 0cMHHHIFRTcFkFRTlg1303. 2)2lg(1303. 20,第30页/共74页第三十一页，共74页。expexp20,RTFRTFcFkIHMHHHc)exp(0HMHMHRTFMH吸附氢原子的浓度(nngd)或活度可以用氢离子的浓度受表面(biomin)电场的影响HHRTFcexpHMHHcRTFcFkI)1 (exp20,对上式取对数(du sh)HMHHcRTFcFkI)1 ()2ln(ln0,第31页/共74页第三十二页，共74页。cH

12、IFRTlg1303. 2常数cMHHHIFRTcFkFRTlg1303. 2)2lg(1303. 20,cMHHHIFRTcFkFRTln1)2ln(10,第32页/共74页第三十三页，共74页。pHV/7电解质总浓度为电解质总浓度为0.3mol/L，j=10-4A/cm2时，时，Hg上析氢过电位与上析氢过电位与pH值之间的关值之间的关系系第33页/共74页第三十四页，共74页。1cH11lnlnln IFRTcFRTFKFRTH）（）（平10cO1lnlnzIFRTcFKFRTH）（平）（平Hln cFRT在酸性在酸性(sun xn)溶液中，溶液中，H+e=1/2H2，pH7时，时，co=

13、cH2O，cH2O=常数，常数，H2O为中性分子，为中性分子，氧化态物质氧化态物质H2O的价数的价数zo=01cOHlnln-IFRTcFRTH常数当当Ic不变，不变， 不变不变1HOHc则可以得到则可以得到 变化仅于变化仅于 的变化有关的变化有关第36页/共74页第三十七页，共74页。H）（OHln cFRT）（OHlg059. 0cH在在 25时时5 . 0pH增大增大(zn d)1，析氢过电位减少约，析氢过电位减少约59mVlg14059. 0H）（cH第37页/共74页第三十八页，共74页。第38页/共74页第三十九页，共74页。1cH1lnln)1 ( IFRTcFRTH）（常数1当

14、酸的浓度很稀时当酸的浓度很稀时，必须考虑，必须考虑 效应效应1当当Ic不变，不变， 的大小取决于上式中右侧第的大小取决于上式中右侧第2项和第项和第4项，即取决于项，即取决于 和和 的变化的变化HHcHHc当总常数cFlnRT1Hcc总根据双电层方程式，当电极表面根据双电层方程式，当电极表面(biomin)带负电时，带负电时，H1Hc当上述第上述第2项和第项和第4项同步变化，互相抵消，因此浓度项同步变化，互相抵消，因此浓度(nngd)很稀很稀时，在酸的浓度时，在酸的浓度(nngd)变化时，析氢过电位不会随之而变化。变化时，析氢过电位不会随之而变化。从第从第2项上看项上看从第从第4项上看项上看第3

15、9页/共74页第四十页，共74页。当酸的浓度较高时，随着酸浓度的增大，析氢过电位当酸的浓度较高时，随着酸浓度的增大，析氢过电位(din wi)降低。降低。原因原因(yunyn)：浓度大可以不再考虑：浓度大可以不再考虑 效应。效应。1cHlnln)1 (IFRTcFRTH）（常数当当Ic不变，只有不变，只有(zhyu)第第2项影响项影响HHc第40页/共74页第四十一页，共74页。第41页/共74页第四十二页，共74页。1cH1lnln)1 ( IFRTcFRTH）（常数1当有表面活性阴离子吸附时，当有表面活性阴离子吸附时， 向负的方向变化，向负的方向变化，H从而使从而使 降低。吸附离子在一定电

16、位下脱附，则降低。吸附离子在一定电位下脱附，则它对过电位的影响就消失了它对过电位的影响就消失了第42页/共74页第四十三页，共74页。第43页/共74页第四十四页，共74页。1cH1lnln)1 ( IFRTcFRTH）（常数1当有表面活性阳离子吸附时，当有表面活性阳离子吸附时， 向正的方向变化，向正的方向变化，H从而使从而使 升高升高第44页/共74页第四十五页，共74页。第45页/共74页第四十六页，共74页。2HMHMH在中低析氢过电位在中低析氢过电位(din wi)金属电极上氢析出为例金属电极上氢析出为例对于中低析氢过电位金属对于中低析氢过电位金属)exp(0HMHMHRTF不是阳极传

17、递系数，而是一个校正系数（不是阳极传递系数，而是一个校正系数（0 1 ）第46页/共74页第四十七页，共74页。22MHcFkI)2exp()(2)exp(22020HMHHMHcRTFFkRTFFkI对上式取对数(du sh)HMHcRTFFkI2)(2lnln20cMHHIFRTFkFRTlg2303. 22lg2303. 220cHIFRTlg2303. 2常数cMHHIFRTFkFRTln22ln220KT29825. 0，VFRTb118. 02303. 2第47页/共74页第四十八页，共74页。在中低析氢过电位在中低析氢过电位(din wi)金属电极上氢析出为例金属电极上氢析出为例

18、对于中低析氢过电位金属对于中低析氢过电位金属)exp(0HMHMHRTF不是阳极传递系数，而是一个校正系数（不是阳极传递系数，而是一个校正系数（0 1 ）OHHeOHMH223HHHRTFccexp0第48页/共74页第四十九页，共74页。expexp200,HMHHHcRTFRTFcFkIMHHccFkI,2HMHHcRTFcFkI)(exp200,HMHHcRTFcFkIexp200,cMHHHIFRTcFkFRTln)2ln(00,cMHHHIFRTcFkFRTlg303. 2)2lg(303. 200,V118. 0303. 2FRTb令KT29825. 0，第49页/共74页第五十页

19、，共74页。第50页/共74页第五十一页，共74页。第51页/共74页第五十二页，共74页。第第3节节 氢电极的阳极氢电极的阳极(yngj)过程过程在酸性、中性在酸性、中性(zhngxng)溶液中：溶液中：H2-2e=2H+， 一般只有一般只有Pt、Pd、Rh、Ir等贵金属可作为氢等贵金属可作为氢的依附金属的依附金属在碱性溶液中：在碱性溶液中：H2+2OH-2e=2H2O， 一般除了一般除了Pt、Pd、Rh、Ir等贵金属，还有等贵金属，还有Ni可作为可作为(zuwi)氢的依附金属氢的依附金属第52页/共74页第五十三页，共74页。（4）表面氢离子向溶液深处扩散OHeOHMHHeMH2碱性：酸性

20、：氢阳极氧化氢阳极氧化(ynghu)基本步骤基本步骤eHMHHMHH222第53页/共74页第五十四页，共74页。第54页/共74页第五十五页，共74页。第55页/共74页第五十六页，共74页。第56页/共74页第五十七页，共74页。OHeOHOOHeHO4422442222在碱性溶液中：在酸性溶液中：第第4节节 研究研究(ynji)氧电极过程存在的困难氧电极过程存在的困难反应历程反应历程(lchng)复杂复杂2、氧电极过程可逆性差、氧电极过程可逆性差21090cm/A1010i3、反应涉及、反应涉及(shj)电位较正，表面状态随电极电位的变化电位较正，表面状态随电极电位的变化较大较大4、各种

21、金属的表面都会在一定程度上受到氧化、各种金属的表面都会在一定程度上受到氧化，氧不是在金属上而是在金属氧化物上析出。，氧不是在金属上而是在金属氧化物上析出。第57页/共74页第五十八页，共74页。HOeOH44222OHOeOH22244第第5节节 氧电极的阳极氧化氧电极的阳极氧化(ynghu)过程过程一、氧的析出一、氧的析出(xch)过程过程H4O4OH222e总反应式：23-24OSO24SO2 eH4SO2OH2SO22423硫酸溶液中硫酸溶液中第58页/共74页第五十九页，共74页。IbaOlog二、氧过电位二、氧过电位(din wi)平O第59页/共74页第六十页，共74页。三、氧电极

22、阳极过程三、氧电极阳极过程(guchng)的可能机理的可能机理在碱性溶液中析氧的某些可能在碱性溶液中析氧的某些可能(knng)的历程的历程第60页/共74页第六十一页，共74页。第61页/共74页第六十二页，共74页。22OH2HOMO第第6节节 氧电极氧电极(dinj)的阴极还原过程的阴极还原过程一、氧阴极还原反应的基本一、氧阴极还原反应的基本(jbn)历程历程第62页/共74页第六十三页，共74页。22222OHeHOOHeHOH222222OHOOH222221化学催化分解或 2 1第63页/共74页第六十四页，共74页。OHHOeOHO2222 1 2OHeOHHO3222或OHHOO