分解電壓的測(cè)定中南大學(xué)

1、分解電壓的測(cè)定The measurement of decomposition voltage一 、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?1了解分解電壓的概念，掌握測(cè)量分解電壓的實(shí)驗(yàn)方法； 2了解分解電壓與電極材料的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)基本原理 當(dāng)直流電通過(guò)電解質(zhì)溶液時(shí)，在溶液內(nèi)部，陽(yáng)離子向陰極移動(dòng)，陰離子向陽(yáng) 極移動(dòng)， 并在電極上進(jìn)行放電， 陽(yáng)離子在陰極上得到電子發(fā)生還原反應(yīng)； 陰離子 在陽(yáng)極上失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)。在 H2SO4 電解 質(zhì)溶液中，插入 鉑電極 通電進(jìn)行電解， 有如下 電極反 應(yīng)：陰極2H2O+2e - H2(g,101325Pa)+2O H-陽(yáng)極2OH- 1/2O 2(g,101325Pa)+2e電池

2、反應(yīng)為：2H2O-H2(g,101325Pa)+1/2O 2(g,101325Pa)即電池反應(yīng)的結(jié)果是使水分解。本實(shí)驗(yàn)分別在 0.5 mol-1dm-3H2SO4 與 1mol-1dm-3NaOH 水溶液中插入兩個(gè)鉑 電極，連接分解電壓測(cè)量裝置， 逐漸增加電壓進(jìn)行電解，記錄相應(yīng)的電流值。 從 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)， 當(dāng)電壓增加到某一數(shù)值時(shí)， 電流突然直線上升， 電極上有氣泡逸 出。為使電解不斷進(jìn)行而必須外加的最小電壓值， 稱為電解質(zhì)在該條件下的分解 電壓，用 E 分解表示。作 I-V 曲線，可求得 E 分解。三、儀器試劑毫安表、電壓表各一個(gè)，接線板一付(含滑線電阻器一個(gè)) 。直流穩(wěn)壓電源 一臺(tái)或甲電池

3、一對(duì)； 0.5 mol-1dm-3H2SO4 與 1mol-1dm-3NaOH 溶液。四實(shí)驗(yàn)步驟1 電極清洗干凈后，將兩支鉑電極分別插入已裝電解質(zhì)溶液的“H”型電解池直至浸沒(méi)。2按照要求正確連接線路后，應(yīng)使滑線電阻的滑動(dòng)點(diǎn)放在輸出的最低處。3緩慢移動(dòng)電阻器，使電壓以0.2V間隔增加，并記下相應(yīng)的電流值。到1V時(shí), 以 0.1V 間隔增加電壓。 到電壓為 2.6V 可終止實(shí)驗(yàn)。 記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)， 應(yīng)在電壓 表、電流表均穩(wěn)定時(shí)讀取數(shù)據(jù)。五注意事項(xiàng)1 正確連接線路，防止短路； 2電源輸出不宜太高，一般小于 5V。六數(shù)據(jù)處理1 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作 I-V 曲線，從曲線上找出電流直線上升段，將此直線作延長(zhǎng)

4、線與電壓軸的交點(diǎn)即為所求分解電壓。2.將H2SO4和NaOH電解質(zhì)水溶液的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值比較，并加以討論。七、創(chuàng)新啟示1隨著電解的進(jìn)行， 系統(tǒng)的吉布斯函數(shù)增加 237.18KJ?mol-1（250C,101325Pa）, 由公式 一 G=ZFE理論，此時(shí)Z=2,則所需的最小電壓（可逆條件下）為理論分解 電壓為 1.23V。實(shí)際上電解時(shí)， 電極的平衡狀態(tài)已破壞， 成為不可逆電極， 實(shí)際電解所需的 電壓比理論電壓要大。 分解電壓超過(guò)原電池之可逆電動(dòng)勢(shì)的部分稱為超電勢(shì)。 超 電勢(shì)包含三部分：一是電極和電解質(zhì)溶液產(chǎn)生的電阻消耗的一部分電壓（ IR）， 稱為電阻超電勢(shì)； 二是由濃差極化引起的濃差超電勢(shì)

5、 E 濃差；三是電化學(xué)極化引 起的活化超電勢(shì)n。因此，分解電壓為：E 分 解 =E 理論 +IR+E 濃差+ n八、提問(wèn)及思考題1在槽電壓很低未達(dá)到分解電壓時(shí)為何通過(guò)電解池的電流不會(huì)為零？2 電解H2SO4和NaOH不同電解質(zhì)水溶液時(shí)，為何分解電壓相同?何為分解電壓？分解電壓 E 分解就是使給定電解過(guò)程連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行所必須施加 的最小外加電壓。 一般在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)電解實(shí)驗(yàn)之前， 先要測(cè)定一下實(shí)驗(yàn)所需要的分 解電壓，這樣能保證實(shí)驗(yàn)按照要求平穩(wěn)地進(jìn)行。（ 1）分解電壓的測(cè)定方法在以 Pt 電極電解 1 mol?dm-3 的鹽酸溶液為例， 來(lái)說(shuō)明電解原理和分解電壓的測(cè) 定方法。實(shí)驗(yàn)中將兩個(gè)Pt電極分別與電

6、源和可變電阻相連，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 2所 示。實(shí)驗(yàn)通過(guò)逐漸增加外加電壓，由安培計(jì) G和伏特計(jì)V分別測(cè)定線路中的電 流強(qiáng)度 I 和電壓 E ，然后繪制出電流 -電壓曲線，如圖 3 所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，剛開(kāi)始加電壓時(shí)，電流強(qiáng)度很小，電極上觀察不到電解現(xiàn)象。之后， 隨著 E 的增大，電極表面附著少量氫氣和氯氣，不易逸出。電解產(chǎn)物氫氣和氯 氣在電解池中又構(gòu)成了原電池， 原電池產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與外加電壓相反， 因此，外 加電壓必須克服這反電動(dòng)勢(shì)，繼續(xù)增加電壓， I 有少許增加，如圖中 1-2 段。當(dāng) 外壓增至 2-3 段，氫氣和氯氣的壓力等于大氣壓力， 呈氣泡逸出， 反電動(dòng)勢(shì)達(dá)極 大值Emax。此后再增加電壓，電流

7、I就呈直線增加。將直線外延至I =0處， 得 E 分解，這是使電解質(zhì)溶液不斷發(fā)生電解所必需外加的最小電壓，就是分解 電壓。有一點(diǎn)要強(qiáng)調(diào)的是， 分解電壓是指在電流為零的情況下， 其與電解槽電壓 存在區(qū)別。同一個(gè)實(shí)驗(yàn)的分解電壓也會(huì)由于本身的裝置等原因在不同的情況下存在差異。 所 以在電解實(shí)驗(yàn)之前需要測(cè)定分解電壓。然而，在教學(xué)中沒(méi)有時(shí)間在進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)之前都測(cè)定分解電壓， 在不知道分解電 壓情況下我們就應(yīng)該按照測(cè)定分解電壓的方式逐漸增加外加電壓直到電解池中 出現(xiàn)溫和、穩(wěn)定的電解現(xiàn)象為止。在許多文獻(xiàn)中除了出現(xiàn)分解電壓外， 經(jīng)常還提及理論分解電壓，而這兩者的數(shù)值 相近，但是卻不一樣，那這兩者有何區(qū)別？(2

8、)理論分解電壓和分解電壓的區(qū)別理論分解電壓，其與分解電壓不同，理論分解電壓對(duì)于同一個(gè)電解實(shí)驗(yàn)是相同的。 在電解，如圖3中1-2段時(shí)，在在陰極上析出的H2和陽(yáng)極上析出的CI2，分別 被吸附在鉑電極上，形成了氫電極和氧電極，組成如下原電池：Pt(s) | H2(g, p) | HCI (1mol?dm -3) | CI2(g, p) | Pt(s)此電池電動(dòng)勢(shì)的方向和電解時(shí)外加電壓相反，稱之為反電動(dòng)勢(shì)。對(duì)外電場(chǎng)有抵擋作用，能阻止(或削弱)電解的進(jìn)行，為了使電解正常進(jìn)行，外加電壓必須克服 電池的電動(dòng)勢(shì)，所以將此反電動(dòng)勢(shì)稱為理論分解電壓E理分。理論分解電壓E理分等于相應(yīng)的原電池的電動(dòng)勢(shì) E可逆。從圖3可以看出，E分解是由IE曲線的直線段反向外推到I -0時(shí)所得，仍包 含不可逆因素，因此，E分解略高于E理分。E分解可以認(rèn)為是要使電解進(jìn)行所 需的最小電壓。在實(shí)際電解時(shí)，必需考慮電解進(jìn)行的速度，外加電壓在咼