电极极化

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2012-6-27
（三）、电解与极化作用
二、 极化的类型
根据极化产生的不同原因，通常把极化大致 分为两类：浓差极化和电化学极化。
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。
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（三）、电解与极化作用
E ( 分 解 ) E ( 可 逆 ) E ( 不 可 逆 ) IR E ( 不 可 逆 ) (阳 ) (阴 )
显然分解电压的数值会随着通入电流强度的 增加而增加。 电解过程中，将原电池的可逆电动势称为理 论分解电压
随着E的增大，电 极表面产生少量H2和 CI2，但压力低于大气 压，无法逸出。所产生 的H2和CI2构成了原电 池：
Pt , H 2 ( PH ) | H C I (1 M ) | C I 2 ( PC I ), Pt
2 2
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（三）、电解与极化作用
(阴 ) (阴 , 平 ) (阴 , 不 可 逆 ) (阳 ) (阳 , 不 可 逆 ) (阳 , 平 )
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（三）、电解与极化作用
三、 极化曲线
过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，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。
使用Pt电极电解 1.0 M HCI溶液,实验 装置如图所示。
逐渐增加外加电压， 由安培计G和伏特计V 分别测定线路中的电流 强度I 和电压E，画出 I-E曲线。
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HCI
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（三）、电解与极化作用
外加电压很小时， 几乎无电流通过，阴、 阳极上无H2和CI2放出。
Ag


|Ag
0 .7 9 9V , C u 2 |C u 0 .3 3 7 V , C d 2 |C d 0 .4 0 3V


Ag

|Ag
A g | A g 0 .0 5 9 1 6 lg C A g 0 .3 3 7 V

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(1)电解池中两电极的极化曲线
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（三）、电解与极化作用
随着电流密度的增大，两电极上的过电势也 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。
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（三）、电解与极化作用 (2)、原电池中两电极的极化曲线
E 0 .4 1V E 0 .2 1V E 0 .1 4 V
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（三）、电解与极化作用
例如：25C时，用铜电极电解0.1M的CuSO4和 0.1M ZnSO4水溶液，在一定电流密度下，氢气在 铜电极上的过电势为0.584V，电解时阳极上析出 氧气。阴极上析出物的先后次序如何？ 解 阴极可能析出产物的析出电势：
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解
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（三）、电解与极化作用
H e


1 2
H2
1 aH 0.4 0.4 V
H , H H , H 0.0592 lg
2 2
故在阴极上析出的先后顺序为Ag ,Cu , H2 。 阳极可能析出的物质为OH-,SO42- 。因SO42-的析 出电势很高，在水溶液中不可能放电，所以只可 能是OH-在阳极反Biblioteka Baidu析出O2
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C A g 1 .5 5 1 0
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8
M
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（三）、电解与极化作用
为了使分离效果较好，后一种离子反应时， 前一种离子的活度应减少到 10 7 以下，这样要求 两种离子的析出电势相差一定的数值。
E RT zF ln 1 0
7
当
z 1 z 2 z 3
（三）、电解与极化作用
当外压增至2-3段，H2 和CI2的压力等于大气压 力，呈气泡逸出，反电动 势达到极大值 Eb,max。
再增加电压，I 迅速增
加。将直线外延至I =0处， 得E值，这是使电解质溶液
能连续不断发生电解时所必
需的最小外加电压，称为分 解电压--E分解。
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（三）、电解与极化作用
主要内容：
分解电压 电极极化作用 电解时电极上的反应 金属的电化学腐蚀和防腐 化学电源 重点: 电极极化作用 电解时电极上的反应 作业：P275 60T 61T
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（三）、电解与极化作用
§7.11 分解电压
一、分解电压的测定
（三）、电解与极化作用
四、 氢过电势
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。 H 利用氢在电极上的过电势，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。 例如，只有控制溶液的pH，利用氢气的析出 有超电势，才使得镀Zn，Sn，Ni，Cr等工艺成为 现实。
z+
|M ) ( M
$
z+
,M) 1
RT zF
ln
1 a M z+
( H |H )
+
RT
ln
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aH+
H
2
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（三）、电解与极化作用
二
阳极上的反应

电解时阳极上发生氧化反应。发生氧化的物 质通常有：（1）阴离子，如 C l , O H 等， （2）阳极本身发生氧化。
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（三）、电解与极化作用
金属在电极上析 出时过电势很小，通 常可忽略不计。而气 体，特别是氢气和氧 气，过电势值较大。 氢气在几种电极 上的过电势如图所示。 可见在石墨和汞等材 料上，过电势很大， 而在金属Pt，特别是 镀了铂黑的铂电极上， 过电势很小，所以标 准氢电极中的铂电极 要镀上铂黑。 回主目录 上一内容 下一内容
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（三）、电解与极化作用
影响过电势 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。
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（三）、电解与极化作用
五
Tafel 公式
早在1905年，Tafel 发现，氢过电势与电 流密度之间在一定范围内存在如下的定量关系：
判断在阳极上首先发生什么反应，应把可能 发生氧化物质的电极电势计算出来，同时要考虑 它的过电势。电极电势最小的首先在阳极氧化。
A| A
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z

$ A| A
z

RT zF
l n a A z (阳 )
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（三）、电解与极化作用
例 以Pt为电极，电解含有Ag+(0.01moldm-3)和 Cu2+(1mol· -3)的硫酸盐。假定[H+]=1mol· -3， dm dm 已知氢在铂电极上的过电势为-0.4V，氧在铂电 极上的过电势为0.5V，求298.15K时在阴极析出 物质的先后顺序及开始析出物质时对应的槽压。 阴极可能析出产物的析出电势： Ag e Ag 1 A g , A g A g , A g 0 .0 5 9 2 lg 0 .6 8 1V a Ag 2 C u 2e C u 1 C u 2 , C u C u 2 , C u 0 .0 2 9 6 lg 0 .3 3 7 V a C u 2
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，使原电池 的作功能力下降。
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（三）、电解与极化作用
但可以利用这种极化降低金属的电化腐蚀速度。
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（三）、电解与极化作用
二、实际分解电压 从理论上讲： 分解电压（E分解）= 可逆电池的电动势
（又称为理论分解电压E理论）
实际上 ： E分解 > E理 原因： 电解过程中需要克服： 论 原电池所产生的可逆电动势 由于极化在阴、阳极上产生的超电势 (阴 )和 (阳 ) 电池电阻所产生的电位降 IR
E (理 论 分 解 ) E (可 逆 )
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（三）、电解与极化作用
一 、电极的极化
§7.12
极化作用
当电极上无电流通过时，电极处于平衡状态， (阳和 ) ,平 这时的电极电势分别称为阳极平衡电势 阴极平衡电势 (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。
a b lg j
这就称为Tafel 公式。式中 j 是电流密度, a 是单位电流密度时的过电势值，它与电极 材料、表面状态、溶液组成和温度等因素有关， 是过电势值的决定因素。 在常温下一般等于 b 。 0 .1 2 V
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（三）、电解与极化作用
Pt , H 2 ( PH ) | H C I (1 M ) | C I 2 ( PC I ), Pt
2 2
该电池的电动势 与外加电压相反，阻 碍了电解的进行，理 论上讲电流应等于零， 然而由于电极上产物 的扩散，造成有微小 的电流通过。如图中 1-2段。
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三 、 分解电压
确定了阳极、阴极析出的物质后，将两者的 析出电势相减，就得到了实际分解电压。因为电 解池中阳极是正极，电极电势较高，所以用阳极 析出电势减去阴极析出电势。
分 解 电 压 (阳 极 , 析 出 ) (阴 极 , 析 出 )
电解水溶液时，由于 H 2 或 O 2 的析出，会改变 + 或 O H 的浓度，计算电极电势时应把这个因 H 素考虑进去。
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（三）、电解与极化作用 3、 过电势
在某一电流密度下，实际发生电解的电极电 势 (不 可 逆 ) 与平衡电极电势之间的差值称为 过电势。 阳极上由于过电势使电极电势变大，阴极上由 于过电势使电极电势变小。 为了使过电势都是正值，把阴极过电势 (阴 ) 和阳极过电势 (阳 ) 分别定义为：
§7.13 电解时电极上的反应
一、阴极上的反应
电解时阴极上发生还原反应。发生还原的 物质通常有(1)金属离子，(2)氢离子（中性水 溶液中 a 1 0 ) 判断在阴极上首先析出何种物质，应把可 能发生还原物质的电极电势计算出来，同时考 虑它的过电势。电极电势最大的首先在阴极析 出。
7 H
+
(M
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（三）、电解与极化作用
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。
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（三）、电解与极化作用
四 金属离子的分离
如果溶液中含有多个析出电势不同的金属离 子，可以控制外加电压的大小，使金属离子分步 析出而达到分离的目的。 例如：电解质溶液中含有浓度为1.0M的 Ag+,Cu2+ ,Cd2+,当铜析出时，溶液中Ag+的浓度 为多少？
1 2
O 2 H 2O 2e 2O H
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（三）、电解与极化作用
( 平 ) 1.729 V
故Ag 析出时槽压为： 1.729-0.681=1.048 V
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（三）、电解与极化作用