电化学题目

2019年春现代电化学期末复习资料
二．判断题（2’*10=20’）
01.电化学反应本质上是一种氧化还原反应。

(√)
02.电池的阳极是正极，阴极是负极。

(×)
03.电解池的正极发生还原反应，负极发生氧化反应。

(×)
04.电池放电时，正极发生还原反应，负极发生氧化反应。

(√)
05.电势高有利于氧化反应的进行；反之，有利于还原反应的进行。

(√)
06.零电荷电势是电极的绝对电极电势。

(×)
07.大多数无机阴离子具有特性吸附特征，是表面活性物质。

(√)
08.电化学极化是由于反应物浓度降低所致。

(×)
09.具有稳定电势的电极体系均可作为参比电极。

(×)
10.极表面液层中主要传质方式为对流。

(×)
11.实际情况下的稳态扩散为“对流扩散”。

(√)
12.正离子在电极上发生还原时，电迁有利于增大稳态电流。

(√)
13.iº越大，电极越易极化。

(×)
14.实际电极体系的扩散层中仅存在扩散传质。

(×)
15.在研究电极/溶液界面结构时,需选用iº大的电极为研究电极。

(×)
16.对流会引起净电流。

(×)
17.负离子在电极上氧化，电迁有利于增大稳态电流。

(√)
18.电池电极一般由活性物质、导电剂、黏结剂等构成，导电剂的加入主要是为
了提高活性物质的i0。

(×)
19.隔膜不仅需要良好的机械强度，而且需要高的电子导电性。

(×)
20.电池所用电解液需要高的离子电导率和电子电导率。

(×)
21.电池的工作电压有可能高于电池的开路电压。

(×)
22.内阻是电池正极和负极进行电化学反应时发生极化所导致的阻力。

(×)
23.二次电池的充电电压总是高于其放电电压。

(√)
24.减小阴极极化有利于得到数目众多的小晶体组成的结晶层，从而有利于形成
均匀、致密的镀层。

(×)
25.对一电镀过程来说，镀液温度太高，易形成粗晶和孔隙较多的镀层。

(√)
26.阴极电泳涂装时所采用的树脂为阴离子树脂。

(×)
27.金属腐蚀主要是由电化学腐蚀引起的。

(√)
28.对于金属制品来说，局部腐蚀的危害比均匀腐蚀更严重。

(√)
29.牺牲阳极法属于一种阳极保护法。

(×)
三．简答题（5’*6=30’）
01.简述电极过程的基本历程。

（1）反应粒子从本体溶液向电极表面传递—液相传质步骤；（2）在电极表面上得到或失去电子，生成反应产物—电化学步骤；（3）反应产物生成新相。

例如：结晶或生成气体；或反应产物从电极表面向本体溶液传递—液相传质步骤。

02.简述电极过程的主要特征。

（1）分区进行的氧化还原反应；（2）“电极/溶液”界面电场对电极反应具有活化作用，它不仅可以改变反应速度，而且可以改变平衡点。

03.试述双电层的理论模型。

（1）“电极/溶液”界面两侧存在剩余电荷（电子与离子电荷）所引起的界面双电层。

界面双电层包括“紧密层”与“分散层”两部份;（2）“紧密层”性质取决于界面层的结构，特别是两相中剩余电荷能相互接近的程度.无机阳离子由于水化程度较高，一般不能逸出水化球而直接吸附在电极表面上，其“紧密层”由水偶极分子所形成的内Helmholtz 层和水化阳离子所形成的外Helmholz 层所构成;大多数阴离子由于水化程度较低，又能进行特性吸附，能逸出水化膜，取代水偶极层中的水分子而直接吸附在电极表面上，其“紧密层”由水偶极分子和吸附阴离子所形成的内Helmholtz 层和水化阴离子所形成的外Helmholz 层所构成;（3）“紧密层”中的电势分布呈线性，“分散层”中的电势分布为非线性。

04.简述电极/溶液界面的形成机制。

（1）离子双电层：由电极表面的剩余电荷与溶液中与之相反的离子组成；（2）离子特性吸附：由吸附于电极表面的离子电荷，以及由这层电荷所吸引的另一层离子电荷组成；（3）偶极子的定向排布：由电极表面定向排列的偶极分子组成。

05.相对于常规电解电容，为什么电化学双电层电容器具有高的比电容值（F/g)？
电容表达式为：d
A
k C 0
ε=，电化学双电层电容器一般纳米多孔结构材料，具有高的比表面；且介电介质为分子级薄层，d 非常小，因此比电容高。

06.为什么在无机盐溶液中，溶液较稀时，微分电容C d 有极小值？电极表面荷正电时，C d 值较大？
因为溶液较稀时，溶液中离子的热运动加剧，导致界面双电层的分散层增厚，微分电容出现极小值；当电极表面荷正电时，溶液中的阴离子容易在电极表面发生特性吸附，使得双电层厚度减小，因此，C d 值较大。

07.在电化学中为什么要研究“吸附现象”？
主要原因是电极/溶液界面的吸附会对电极过程动力学产生重大影响：（1）表面活性粒子不参与电极反应。

它们的吸附会改变电极表面状况和双电层中电位的分布，从而影响反应粒子在电极表面的浓度和电极反应的活化能，从而影响电极反应速度；（2）表面活性粒子是反应粒子或反应产物时（包括中间产物），就会直接影响到有关分步步骤的动力学规律。

08.为什么不同物质发生特性吸附的能力不同，同一物质在不同电极体系中的吸附行为也不相同？
发生特性吸附涉及以下能量变化：①表面活性粒子的脱水化或部分脱水化—∆G 1↑；②电极表面水分子脱附——∆G 2↑；③电极与活性粒子发生短程相互作用——∆G 3↓。

不同物质∆G 1和∆G 3不同，总的自由能变化不同；同一物质在不同电极体系中，∆G 2和∆G 3不同，
总的自由能变化也不相同，因此，不同物质发生特性吸附的能力不同，同一物质在不电极体系中的吸附行为也不相同。

09.简述电化学步骤的基本动力学参数及其物理意义。

并说明如何由Tafel公式求这些动力学参数。

10.试述扩散层与双电层的主要区别。

（1）形成机制不同：双电层-各种界面因素作用下，在电极/溶液之间形成的在结构和性质上形成的与本体溶液不同的过渡相；扩散层-由于液相传质步骤迟缓，导致电极表面反应粒子与溶液本体之间存在浓度梯度的薄液层。

（2）空间尺寸存在巨大差异：双电层-最多100-200Å；扩散层-105-106Å。

11.简述浓差极化和电化学极化的主要特征及区别。

12.对于i0<<I
d
的体系,电极反应有否可能受扩散步骤控制?为什么?
有可能，因为通过增加极化电势，电化学反应步骤速率可呈指数型提高，最终导致反应粒子的传质速度跟不上反应消耗速度，导致电极表面液层中出现浓度差，此时电极反应由浓差极化和电化学极化联合控制。

13.反应完全受电化学极化控制时，外电流I与超电势之间的线形关系和半对数关系各在什么条件下出现?
|I|<<i0，线性；|I|>>i0，半对数。

14.为什么在电极表面上反应粒子浓度为零时仍有电流通过,且能得到最大的电流值-极限电流？
因为扩散电流密度与浓度梯度成正比，在电极表面上反应粒子浓度几乎为零时，浓度梯度最
大，此时为极限扩散：I
d
=nFDc0/δ。

15.为什么研究电化学反应机理时，常采用旋转圆盘电极？如何采用旋转圆盘电极来判断一个反应是否由扩散控制？
在一般的平面电极上，每一个位点的电流密度并不相同；而在旋转圆盘电极上，由于圆盘旋转的相对切向液流速度同比例增大，整个圆盘电极表面各点的扩散层厚度相同，扩散电流密
度均一，因此有利于研究电化学反应行为。

根据圆盘电极上I
d 与ω1/2成正比，作出I
d
-ω1/2
图，若呈线性关系，则可判断反应由扩散控制。

16.如何判断一个反应完全由浓差极化控制？
（1）电极电势足够正或足够负时，均出现极限扩散电流，且电极电势与电流的半对数之间呈线性关系；（2）旋转圆盘电极：I
d
与ω1/2成正比；（3）电势阶跃：I-t-1/2呈直线关系；（4）线性电势扫描：I-V1/2呈直线关系。

17.简述电化学极化的主要特征。

电流密度较小时，超电势与电流密度之间呈线性关系；电流密度较大时，超电势与电流密度的半对数之间呈线性关系。

18.对于混合控制来说，下列情况下超电势主要由哪些极化引起：（1）I
d ≈I
c
<<iº；
（2）I
d >>I
c
>>iº；（3）I
d
≈I
c
>>iº。

（1）超电势主要由浓差极化引起；（2）超电势主要由电化学极化引起；（3）超电势由浓差极化和电化学极化联合引起。

19.电池额定容量为20Ah，分别以10小时率和2倍率放电时的电流为多少？
10小时率：20Ah/10h=2A;2倍率:2*20=40A
20.电池重35克，以200mA电流从满荷电态放电至截止电压，共放电10小时，电池的平均放电电压3.7V,请计算电池容量、实际重量比能量。

电池容量：200mA*10h=2000mAh=2Ah
比能量：2Ah*3.7V/(35*10-3kg)=211.4Wh/kg
21.简述铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池的工作原理，并将它们按开路电压、重量比能量高低分别排序。

开路电压：锂离子电池>铅酸>镍氢
比能量：锂离子电池>镍氢>铅酸
22.简述气体扩散电极的主要结构特点。

具有丰富的气固液三相界面。

由于有足够的气孔使被测气体容易传递到电极内部各处，溶解于覆盖在催化剂表面并与整体溶液相连通的薄液膜中，因而气体很容易在电催化剂表面产生电化学氧化或还原。

23.简述电催化的作用机制？如何评价电催化性能？
①电极与反应物粒子或中间产物粒子或者产物粒子发生某种相互作用，改发了反应进行的途径，降低了反应活化能。

②溶液中不参加电极反应的溶剂和溶质组分在电极表面的吸附能力不同，导致界面双电层结构不同，从而影响反应速度。

如何评价电催化性能：选用平衡电位下的交换电流密度i0来衡量电极催化能力。

具体表现为：电极反应氧化还原超电势的降低或在某一给定电势下氧化一还原电流的增加。

24.简述酸性溶液中氢析出反应的基元步骤。

1、电化学反应步骤（A）：电化学还原产生吸附于电极表面的氢原子H 3+O+e -
+M=MH+H 2O；2a
复合脱附步骤（B）：MH+MH=2M+H 2；2b 电化学脱附步骤（C）：MH+H 3+O+e -=H 2+H 2O+M。

25.水的理论分解电压为1.23V,为什么铅酸电池的电压可达2V？
因为铅及其氧化物为氢、氧反应的高超电势电极，析氢、析氧反应的i 0非常小。

26.金属共沉积的条件以及如何实现金属的共沉积？
条件：析出电势相近，即φ1，析=φ2，析
φ01＋lnc 1－η1,c ＝φ0
2＋lnc 2－η2,c
（1）当两种离子的φ0
相差较小时，可采用调节离子浓度的方法实现共沉积;（2）当两种离
子的φ0
相差不大(＜0.2V），且两者极化曲线（E-I 或η-I 关系曲线）斜率又不同的情况
下，则调节电流密度使其析出电势相同，也可以实现共沉积;（3）当两种离子φ0
相差很大，可通过加入络合剂以改变平衡电极电势，实现共沉积;（4）加入可能引起某种离子阴极还原时极化超电势较大，而对另一种离子的还原无影响的添加剂。

27.画出典型的金属阳极钝化I—E 曲线，并表明其主要阶段。

（1）金属阳极的正常溶解阶段--活化区；（2）活化—钝化过渡阶段；（3）钝化阶段；（4）钝化膜破坏或析氧阶段：①金属以高价离子态进入溶液，造成钝化膜的破坏；②析出氧气。

28.说明阳极和阴极电泳涂装的主要原理。

阳极电泳涂装：以被镀金属基底作为阳极，带电的阴离子树脂在电场作用下进行定向移动，从而在金属表面实现电沉积的方法。

阳极反应：（1）2H 2O→4H +＋O 2＋4e -，H +＋RCOO -→RCOOH (不溶性树脂析出)或者（2）M→M n+＋ne -，M n+＋nRCOO -→（RCOO）n M（析出）阴极反应：2H 2O＋2e -→2OH -＋H 2
阴极电泳涂装：以水溶性阳离子树脂为成膜基料，以工件作为阴极，从而在金属表面实现电沉积的一种电镀方法。

阴极反应：2H 2O＋2e -→2OH -＋H 2;OH -＋R 3NH +
(阳离子树脂)→R 3N(树脂析出)＋H 2O
阳极反应：2H 2O→4H +＋O 2＋4e
-29.试述电流型传感器的原理。

（1）被测气体进入传感受器的气室；（2）反应物从气室到达工作电极前面的多孔膜，并向
电极电解液界面扩散；（3）电活性物质在电解液中的溶解；（4）电活性物质在电极表面吸附；（5）扩散控制下的电化学反应；（6）产物的脱附；（7）产物离开电极表面的扩散；
（8）产物的排除。

30.试述常用的金属电化学防腐蚀方法及其基本原理。

（1）金属镀层：用电镀法在金属的表面涂一层别的金属或合金作为保护层；（2）阳极保护：用阳极极化的方法使金属钝化，并用微弱电流维持钝化状态，从面保护金属；（3）阴极保护：阴极极化可用两种办法实现：外加电流法和牺牲阳极法；（4）缓蚀剂保护：加入少量能明显抑制金属腐蚀的缓蚀剂。

31.下图为Fe-H 2O 体系的φ-pH 图，请据此给出铁的几种可能的防蚀措施。

（1）调节介质的pH 值：将介质的pH 调整在9～13之间；（2）阴极保护：当介质的pH 在
0～9之间时，可采取将铁的电势降低到Fe 2+
/Fe 平衡电势的-0.6V 以下，则可进入稳定区；（3）金属钝化：方法之一可将铁作阳极，通以一定的电流使其发生阳极极化；之二是在溶液中加入氧化剂(如铬酸盐、重铬酸盐、亚硝酸钠等)，使金属表面生成一层钝化膜。

32.试描述小孔腐蚀的电化学机理。

由于小孔内部腐蚀介质与外部表面整体介质的含氧量不同导致小孔内腐蚀加速：
小孔内：介质中的溶解氧因得不到补充而很快耗尽，仅发生Fe=Fe 2++2e -阳极溶解反应.反应产物可能：（1）水解：Fe 2++2H 2O=Fe(OH)2+2H +或（2）与少量孔外扩散进来的氧反应：4Fe 2++O 2+10H 2O=4Fe(OH)3+8H +。

在小孔开口处或四周形成铁锈，同时使孔内介质pH 降至1.5-2;外部表面：介质中的溶解氧易得到补充,发生氧还原反应,即:O 2+2H 2O+4e -=4OH -,PH 上升,铁电极电势正移,引起铁表面钝化。

33.电解水制氢时，电解槽的能量效率为60%，生产1m 3
H 2（标准状态下）需耗多少度电？
W＝1.23×[(2×26.8)/22.4]×1000/60%=4905kW·h·m -3H 2
34.为什么增加极化有利于获得均匀致密的镀层？
当施加电势高（较大的负值）时，易形成大量小的晶核，晶面上生长点多，表面扩散容易进行，电子传递成为速度控制步骤。

所形成的沉积层致密、均匀。

因此，增加电化学步骤极化有利于得到数目众多的小晶体组成的结晶层，从而有利于形成均匀、致密的镀层。