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1、 物理化学电子教案物理化学电子教案第十一章第十一章2023/1/25 第十一章第十一章电解与极化作用电解与极化作用11.1 11.1 分解电压分解电压分解电压分解电压11.2 11.2 极化作用极化作用极化作用极化作用11.3 11.3 电解时电极上的反应电解时电极上的反应电解时电极上的反应电解时电极上的反应11.4 11.4 金属的电化学腐蚀与防腐金属的电化学腐蚀与防腐金属的电化学腐蚀与防腐金属的电化学腐蚀与防腐11.5 11.5 化学电源化学电源化学电源化学电源2023/1/2511.1 分解电压分解电压一一 理论分解电压理论分解电压二二 分解电压的测定分解电压的测定三三 实际分解电压实际
2、分解电压2023/1/2511.1 11.1 分解电压分解电压一 理论分解电压 使使某电解质溶液能连续不断某电解质溶液能连续不断发生电解时所必须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电池时的可逆电动势.2023/1/25二二 分解电压的测定分解电压的测定 使用使用Pt电极电解电极电解H2O，加入加入H2SO4用来导电，用来导电，实验装置如图所示实验装置如图所示。逐渐增加外加电压，逐渐增加外加电压，由安培计由安培计G和伏特计和伏特计V分分别测定线路中的电流强别测定线路中的电流强度度I 和电压和电压E E，画出画出
3、I-E曲曲线。线。2023/1/25分解电压的测定分解电压的测定 外加电压很小时，几乎无电流通过，阴、阳极上无H2气和氧气放出。随着电压的增大，电极表面产生少量氢气和氧气，但压力低于大气压，无法逸出。所产生的氢气和氧气构成了原电池，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。2023/1/25分解电压的测定分解电压的测定 当外压增至2-3段，氢气和氧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。2023/1/25三三 实际分
4、解电压实际分解电压 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 。这三者的加和就称为实际分解电压。分解电压的数值会随着通入电流强度的增加而增加。2023/1/2511.2 极化作用极化作用一一 极化与超电势极化与超电势二二 极化曲线与极化规律极化曲线与极化规律三三 电极过程的一般步骤电极过程的一般步骤四四 极化的类型极化的类型五五 双电层结构双电层结构2023/1/2511.2 11.2 极化作用极化作用1 极化（polarization）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
5、分别称为阳极平衡电势(阳，平）阳，平）和阴极平衡电势(阴，平）阴，平）。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，这种对平衡电势的偏离称为电极的极化。一一 极化与超电势极化与超电势2023/1/25 2 超电势 在某一电流密度下，实际发生电解的电极电势(不可逆）不可逆）与平衡电极电势之间的差值称为超电势。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：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。极化与超电势（极化与超电势（overpotential）（阴）（阴，平）（阴，不可逆）（阳）（阳，不可逆）（阳，平）（阴，不
6、可逆）（阴，平）（阴）（阳，不可逆）（阳，平）（阳）2023/1/25二二 极化曲线与极化规律极化曲线与极化规律 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（polarization curve），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，使外加的电压增加，额外消耗了电能。2023/1/25极化曲线与极化规律极化曲线与极化规律(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
7、池的作功能力下降。但可以利用这种极化降低金属的电化腐蚀速度。2023/1/25极化曲线与极化规律极化曲线与极化规律 在不可逆的情况下在不可逆的情况下,阴极极化的电极电势总是向阴极极化的电极电势总是向负负(减小减小)的方向移动的方向移动,而阳极极化的电极电势则总而阳极极化的电极电势则总是向正是向正(增加增加)的方向移动的方向移动.超电势的数值随电流密度的增大而增加超电势的数值随电流密度的增大而增加.2023/1/25三三 电极过程的一般步骤电极过程的一般步骤 反应物向电极表面传递，即反应物向电极表面传递，即液相中的传质步骤液相中的传质步骤；反应物在界面层进行反应前的转化步骤，即前置反应物在界面层
8、进行反应前的转化步骤，即前置表表面转化步骤面转化步骤，例如反应物在电极表面上的吸附；，例如反应物在电极表面上的吸附；在电极表面上进行氧化或还原反应，生成反应产物，在电极表面上进行氧化或还原反应，生成反应产物，即即电化学步骤电化学步骤。反应产物在界面层进行反应后的转化步骤，即随后反应产物在界面层进行反应后的转化步骤，即随后的的表面转化步骤表面转化步骤，例如自表面上脱附，反应产物的复合等；，例如自表面上脱附，反应产物的复合等；反应产物生成新相步骤或反应产物向溶液中传递，反应产物生成新相步骤或反应产物向溶液中传递，即即液相中的传质步骤液相中的传质步骤。2023/1/25 四四 极化的类型极化的类型
9、1 浓差极化 在电解过程中，电极附近某离子浓度由于电极反应而发生变化，本体溶液中离子扩散的速度又赶不上弥补这个变化，就导致电极附近溶液的浓度与本体溶液间有一个浓度梯度，这种浓度差别引起的电极电势的改变称为浓差极化。用搅拌和升温的方法可以减少浓差极化，但也可以利用滴汞电极上的浓差极化进行极谱分析。根据极化产生的不同原因，通常把极化大致分为浓差极化和电化学极化。2023/1/25极化的类型极化的类型2 电化学极化 电极反应总是分若干步进行，若其中一步反应速率较慢，需要较高的活化能，为了使电极反应顺利进行所额外施加的电压称为电化学超电势（亦称为活化超电势），这种极化现象称为电化学极化。2023/1/
10、25（1）氢超电势 电解质溶液通常用水作溶剂，在电解过程中，电解质溶液通常用水作溶剂，在电解过程中，在阴极会与金属离子竞争还原。在阴极会与金属离子竞争还原。利用氢在电极上的超电势，可以使比氢活泼的金利用氢在电极上的超电势，可以使比氢活泼的金属先在阴极析出，这在电镀工业上是很重要的。属先在阴极析出，这在电镀工业上是很重要的。例如，只有控制溶液的例如，只有控制溶液的pH，利用氢气的析出有超利用氢气的析出有超电势，才使得镀电势，才使得镀Zn，Sn，Ni，Cr等工艺成为现实。等工艺成为现实。2023/1/25氢气在几种电极上的超电势氢气在几种电极上的超电势 金属在电极上析出时超电势很小，通常可忽略不计
11、。而气体，特别是氢气和氧气，超电势值较大。氢气在几种电极上的超电势如图所示。可见在石墨和汞等材料上，超电势很大，而在金属Pt，特别是镀了铂黑的铂电极上，超电势很小，所以标准氢电极中的铂电极要镀上铂黑。2023/1/25氢气在几种电极上的超电势氢气在几种电极上的超电势 影响超电势的因素很多，如电极材料、电极表面状态、电流密度、温度、电解质的性质、浓度及溶液中的杂质等。2023/1/25（2）Tafel 公式（公式（Tafels equation）早在1905年，Tafel 发现，对于一些常见的电极反应，超电势与电流密度之间在一定范围内存在如下的定量关系：这就称为Tafel 公式。式中 j 是电流
12、密度,是单位电流密度时的超电势值，与电极材料、表面状态、溶液组成和温度等因素有关，是超电势值的决定因素。在常温下一般等于 。2023/1/25五五 双电层结构双电层结构2023/1/25双电层与极化双电层与极化 双电层中电势分布与溶液中明显不同。正是这一点，影响到溶液中参与电极反应的带电粒子的能量和浓度，从而改变了反应速率。对于电化学极化过程，超电势变化1V而引起电流的密度变化巨大（在具有几个分子直径厚度(nm级)的双电层上，超电势变化1V，相当于电场变化为109 A m-2）。2023/1/25电化学从分子水平上揭示了电极与溶液双电层中电子得失过程涉及巨大的电应力，因此现代电化学被认为是研究电子导体与离现代电化学被认为是研究电子导体与离子导体的界面现象科学子导体的界面现象科学。2023/1/25