第一、二節(jié) 電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性質(zhì)

1、 物理化學(xué)電子教案第五章 原電池 電解池 電化學(xué)是研究電化學(xué)是研究電能電能與與化學(xué)化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)能之間的相互轉(zhuǎn) 化過程中存在規(guī)律的科學(xué)。隨著科技事業(yè)的發(fā)化過程中存在規(guī)律的科學(xué)。隨著科技事業(yè)的發(fā) 展，現(xiàn)在電化學(xué)理論已被廣泛應(yīng)用于電源、電展，現(xiàn)在電化學(xué)理論已被廣泛應(yīng)用于電源、電 解、電鍍、金屬腐蝕與防腐、冶金及化工生產(chǎn)解、電鍍、金屬腐蝕與防腐、冶金及化工生產(chǎn) 等許多方面。在醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域，人們采用電化學(xué)等許多方面。在醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域，人們采用電化學(xué) 分析手段分析手段 開展了電泳、電位滴定、極譜分析開展了電泳、電位滴定、極譜分析 以及離子選擇性電極的應(yīng)用等許多卓有成效的以及離子選擇性電極的應(yīng)用等許多卓有成

2、效的 研究工作，在臨床與科研方面發(fā)揮了重要的作研究工作，在臨床與科研方面發(fā)揮了重要的作 用。用。 電能化學(xué)能 一般說來，電化學(xué)所研究的一般說來，電化學(xué)所研究的主要內(nèi)容主要內(nèi)容 有：有：電解質(zhì)溶液理論；電解質(zhì)溶液理論； 電化學(xué)平衡；電化學(xué)平衡； 電極過程動力學(xué)；電極過程動力學(xué)； 實(shí)用電化學(xué)。實(shí)用電化學(xué)。 本章根據(jù)專業(yè)要求，主要討論前面部本章根據(jù)專業(yè)要求，主要討論前面部 分內(nèi)容。分內(nèi)容。 一. 電解質(zhì)溶液導(dǎo)電現(xiàn)象 導(dǎo)體導(dǎo)體 能夠?qū)щ姷奈矬w能夠?qū)щ姷奈矬w 第一類導(dǎo)體：依靠電子的定向遷移來導(dǎo)電，又稱電子第一類導(dǎo)體：依靠電子的定向遷移來導(dǎo)電，又稱電子 導(dǎo)體，如金屬、石墨等。導(dǎo)體，如金屬、石墨等。 主要特

3、征：溫度升高，導(dǎo)電能力下降主要特征：溫度升高，導(dǎo)電能力下降 第二類導(dǎo)體：依靠離子的定向遷移來導(dǎo)電，又稱離子第二類導(dǎo)體：依靠離子的定向遷移來導(dǎo)電，又稱離子 導(dǎo)體，如電解質(zhì)溶液或熔融電解質(zhì)等。導(dǎo)體，如電解質(zhì)溶液或熔融電解質(zhì)等。 主要特征：溫度升高，導(dǎo)電能力增強(qiáng)主要特征：溫度升高，導(dǎo)電能力增強(qiáng) 一. 電解質(zhì)溶液導(dǎo)電現(xiàn)象 電解池：電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的電化學(xué)裝置電解池：電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的電化學(xué)裝置 原電池：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置原電池：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置 電化學(xué)裝置電化學(xué)裝置化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)換的裝置化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)換的裝置 電解池和原電池均由電極和電解質(zhì)溶液組成電解池和原電池均由電極和

4、電解質(zhì)溶液組成 陽極：發(fā)生氧化反應(yīng)的電極陽極：發(fā)生氧化反應(yīng)的電極 陰極：發(fā)生還原反應(yīng)的電極陰極：發(fā)生還原反應(yīng)的電極 正極：電勢高的電極正極：電勢高的電極 負(fù)極：電勢低的電極負(fù)極：電勢低的電極 電極命名電極命名 電化學(xué)約定電化學(xué)約定 物理學(xué)約定物理學(xué)約定 一. 電解質(zhì)溶液導(dǎo)電現(xiàn)象 陰陰 極極 陽陽 極極 e + e 電解池電解池 陽陽 極極 陰陰 極極 ee 原電池原電池 H2Cl2 H+ Cl H+ Cl 電解池電解池中與外電源負(fù)極相接的電極，電勢較低，故為中與外電源負(fù)極相接的電極，電勢較低，故為 負(fù)極，發(fā)生還原反應(yīng)，所以也是陰極負(fù)極，發(fā)生還原反應(yīng)，所以也是陰極；與外電源正極相接；與外電源正極

5、相接 的電極，電勢較高，為的電極，電勢較高，為正極，發(fā)生氧化反應(yīng)，所以也是陽正極，發(fā)生氧化反應(yīng)，所以也是陽 極極。 原電池中發(fā)生原電池中發(fā)生氧化作用的陽極氧化作用的陽極，有多余的電子輸出至，有多余的電子輸出至 外電路，故外電路，故為電勢較低的負(fù)極為電勢較低的負(fù)極；發(fā)生還原作用的陰極發(fā)生還原作用的陰極，從，從 外電路接受電子，外電路接受電子，故為電勢較高的正極故為電勢較高的正極。 H+ Cl- 在電解質(zhì)溶液（例在電解質(zhì)溶液（例HCl）中插入二個(gè)鉑電極（惰性電極）接）中插入二個(gè)鉑電極（惰性電極）接 上電源，回路中有電流通過，其導(dǎo)電過程：上電源，回路中有電流通過，其導(dǎo)電過程： （1）電子從負(fù)極流出）

6、電子從負(fù)極流出 （2）在陰極上交換電子）在陰極上交換電子 2H+ +2e- H2（還原反應(yīng)）（還原反應(yīng)） H+ 向陰極遷移向陰極遷移 （3）在陽極上交換電子）在陽極上交換電子 2Cl 2e- Cl2（氧化反應(yīng)）（氧化反應(yīng)） Cl 向陽極遷移向陽極遷移 （4）電子從陽極流回正極）電子從陽極流回正極 PtPt E e e 電解質(zhì)溶液導(dǎo)電機(jī)理電解質(zhì)溶液導(dǎo)電機(jī)理 綜上所述，可得到電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電機(jī)理： 電流在溶液中的傳導(dǎo)由正負(fù)離子定向遷移而共 同承擔(dān)； 由于兩電極上所發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致電 子得失，從而使電極與溶液界面處的電流得以連續(xù) 。 對于電解池，由于外電源消耗了電動，使電解池 內(nèi)發(fā)生了非自發(fā)

7、反應(yīng),即 電能 化學(xué)能 對于原電池，由于電池內(nèi)發(fā)生了自發(fā)的氧化還原 反應(yīng)，即 化學(xué)能 電能 二、法拉第電解定律 1833年，法拉第（年，法拉第（Faraday）在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，歸）在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，歸 納出了電流通過電解質(zhì)溶液時(shí)，電極上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)的納出了電流通過電解質(zhì)溶液時(shí)，電極上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)的 量與通過的電量之間的關(guān)系：量與通過的電量之間的關(guān)系： （1 1）電解時(shí)，在任一電極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的量與）電解時(shí)，在任一電極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的量與 通入的電量成正比；通入的電量成正比； （2 2）在幾個(gè)串聯(lián)的電解池中通入一定的電量后，各個(gè)電）在幾個(gè)串聯(lián)的電解池中通入一定的電量后，各個(gè)電

8、 極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的量相同。極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的量相同。 zF Q n nzFQ 或或 Q：電解時(shí)通過的電量；：電解時(shí)通過的電量； n：電極上參加反應(yīng)的物質(zhì)：電極上參加反應(yīng)的物質(zhì)B的的 物質(zhì)的量：物質(zhì)的量：z：電極反應(yīng)中的電子計(jì)量系數(shù)；：電極反應(yīng)中的電子計(jì)量系數(shù)；F：法拉第：法拉第 常數(shù)常數(shù) 注意：注意：電化學(xué)中，元電荷電化學(xué)中，元電荷e是指一個(gè)質(zhì)子或一個(gè)電是指一個(gè)質(zhì)子或一個(gè)電 子的電荷絕對值，為物質(zhì)的量的基本單元，如子的電荷絕對值，為物質(zhì)的量的基本單元，如H+、 、 等。 等。 2 Mg 2 1 3 4 PO 3 1 二、法拉第電解定律 法拉第常數(shù)法拉第常數(shù)F F 1mol1mol

9、元電荷所具有的電量元電荷所具有的電量 11 2319 molC96500molC09.96486 100221.6106022.1 LeF 法拉第定律沒有使用的限制條件，在任何溫度和壓法拉第定律沒有使用的限制條件，在任何溫度和壓 力下都能適用力下都能適用, ,是自然界中為數(shù)不多的最準(zhǔn)確定律之一。是自然界中為數(shù)不多的最準(zhǔn)確定律之一。 例例1 1 在一含有在一含有CuSO4CuSO4溶液的電解池中通入溶液的電解池中通入2.0A2.0A直流電直流電482s482s， 問有多少質(zhì)量的銅沉積在陰極上？問有多少質(zhì)量的銅沉積在陰極上？ C 0 .9640 . 2482 tIQ mol 0050. 0 965

10、002 0 .964 zF Q n g 32. 0640050. 0Mnm 解：通入的電量解：通入的電量Q為 陰極電極反應(yīng)：陰極電極反應(yīng)：Cu2+ + 2e- Cu 因此，沉積在電極上的銅的質(zhì)量因此，沉積在電極上的銅的質(zhì)量m為為 電極上參加反應(yīng)的物質(zhì)電極上參加反應(yīng)的物質(zhì)Cu2+的物質(zhì)的量的物質(zhì)的量n為為 二、法拉第電解定律 三、離子的電遷移和遷移數(shù) （一）離子的電遷移現(xiàn)象（一）離子的電遷移現(xiàn)象 離子的電遷移：在電場作用下，離子的定向運(yùn)動離子的電遷移：在電場作用下，離子的定向運(yùn)動 接通電源，通入接通電源，通入4mol4mol電子的電量。電子的電量。4mol4mol的正離子在的正離子在 陰極發(fā)生還

11、原反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，4mol4mol的負(fù)離子在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)。的負(fù)離子在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)。 同時(shí)，溶液中的離子作定向移動。由于同時(shí)，溶液中的離子作定向移動。由于電解質(zhì)溶液內(nèi)部電解質(zhì)溶液內(nèi)部 電量的輸運(yùn)是由正負(fù)離子共同擔(dān)當(dāng)?shù)?，且隨每種離子遷電量的輸運(yùn)是由正負(fù)離子共同擔(dān)當(dāng)?shù)模译S每種離子遷 移速率的不同，各自輸運(yùn)的電量也不盡相同。移速率的不同，各自輸運(yùn)的電量也不盡相同。從而造成從而造成 電解質(zhì)在兩極附近的溶液中濃度變化的不同。電解質(zhì)在兩極附近的溶液中濃度變化的不同。 陰陰 極極 通電前通電前 陽陽 極極 陰極區(qū)陰極區(qū)陽極區(qū)陽極區(qū)中間區(qū)中間區(qū) + + + + + + + + + + + +

12、+ + + + + + 1. 1. 正負(fù)離子遷移速率相等，各自分擔(dān)一半導(dǎo)電任務(wù)正負(fù)離子遷移速率相等，各自分擔(dān)一半導(dǎo)電任務(wù) 三、離子的電遷移和遷移數(shù) 陰陰 極極 遷移情況遷移情況 陽陽 極極 陰極區(qū)陰極區(qū)陽極區(qū)陽極區(qū)中間區(qū)中間區(qū) + + + + + + + + + + + + + + + + 陰陰 極極 陽陽 極極 陰極區(qū)陰極區(qū)陽極區(qū)陽極區(qū)中間區(qū)中間區(qū) + + + + + + + + + + + + + + + + + 遷移結(jié)果遷移結(jié)果 通電結(jié)束后，中間區(qū)溶液濃度沒有變化，陰極區(qū)和通電結(jié)束后，中間區(qū)溶液濃度沒有變化，陰極區(qū)和 陽極區(qū)濃度發(fā)生了相同的變化，各減少了陽極區(qū)濃度發(fā)生了相同的變化，各減少

13、了2 mol正負(fù)離子。正負(fù)離子。 2. 2. 正離子的遷移速率是負(fù)離子的三倍，承擔(dān)正離子的遷移速率是負(fù)離子的三倍，承擔(dān)3/43/4導(dǎo)電任務(wù)導(dǎo)電任務(wù) 三、離子的電遷移和遷移數(shù) 陰陰 極極 遷移情況遷移情況 陽陽 極極 陰極區(qū)陰極區(qū)陽極區(qū)陽極區(qū)中間區(qū)中間區(qū) + + + + + + + + + + + + + + + 陰陰 極極 陽陽 極極 陰極區(qū)陰極區(qū)陽極區(qū)陽極區(qū)中間區(qū)中間區(qū) + + + + + + + + + + + + + + + + + 遷移結(jié)果遷移結(jié)果 通電結(jié)束后，中間區(qū)濃度保持不變，陰極區(qū)和陽極通電結(jié)束后，中間區(qū)濃度保持不變，陰極區(qū)和陽極 區(qū)溶液的濃度發(fā)生了不同的變化，陰極區(qū)減少了區(qū)溶液的濃度發(fā)生了不同的變化，陰極區(qū)減少了1 mol 正、負(fù)離子，陽極區(qū)減少了正、負(fù)離子，陽極區(qū)減少了3 mol正、負(fù)離子。正、負(fù)離子。 （1）通過溶液的總電量）通過溶液的總電量Q等于正離子遷移的電量等于正離子遷移的電量Q 和 和 負(fù)離子遷移的電量負(fù)離子遷移的電量Q 之和。 之和。 QQQ r r Q Q 負(fù)離子的遷移速率 正離子的遷移速率 負(fù)離子遷移的電量 正離子遷移的電量 陰極區(qū)減少的物質(zhì)的量 陽極區(qū)減少的物質(zhì)的量 結(jié)論：結(jié)論： （2） 三、離子的電遷移和遷移數(shù) 三、離子的電遷移和遷移數(shù) （二）離子遷移數(shù)（二）離子遷移數(shù)