电化学的作业答案

2.3RT ㏒αZn2+0.0591㏒0.0440.45×2×0.210.05910.03I0αnF η2.3RT2013年应用电化学习题参考答案Chapter 11、 为什么不能用普通电压表测量电动势？应该怎样测量？（1）电动势的概念:电动势是一个容易精确测量但含义复杂的参数。

其定义为：在电池中没有电流通过时，自发电池两个终端相之间的电位差。

它是断路情况下原电池两极间的电位差，等于组成电池的各个相界面的代数和。

（2）不能用普通电压表测量电动势。

因为电动势=内部电压+输出电压，而普通电压表测定的电压为电池的输出电压（端电压）。

（3）电动势测量具体方法很多。

常用电位差计来测量，电位差计利用补偿法和比较法实现对电动势的测量。

2、 试总结比较以下概念：平衡电位，标准电位，稳定电位，极化电位，过电位 平衡电位：处于热力学平衡状态的电极体系的电极电位。

由于氧化反应和还原反应速度相等，电荷交换和物质交换都处于动态平衡之中，因而净反应速度为零，电极上没有电流通过，即外电流等于零。

这时的电极电位就是平衡电位。

稳定电位：热力学非平衡电极体系在电荷交换达到平衡时的电极电位，数值不随时间而发生改变。

但此时可能物质交换不平衡，如共轭体系。

标准电位：25℃电极体系各组分均处于标准态下的电极电位。

极化电位：有电流通过时电极体系的实际电极电位，因为有极化发生，所以又称极化电位。

过电位：某一电流密度下极化电极电位与该电极的平衡电极电位之间的差值称为过电位。

3、25℃锌从ZnSO 4（1mol/L ）溶液中电解沉积的速度为0.03A/cm 2时，阴极电位为-1.013V 。

已知电极过程的控制步骤是电子转移步骤，传递系数为α=0.45以及1mol/L ZnSO 4溶液的平均活度系数γ=0.044。

试问25℃时该电极反应的交换电流密度是多少？ 解： 电极反应：Zn 2+ + 2e → Zn在1mol/L ZnSO 4溶液中，αZn2+ =γ±C Zn2+=0.044; φ0=-0.763V ； φ平 =φ0 + = -0.763+ = -0.803V已知φ=-1.013V ；α=0.45；I=0.03 A/㎝2η =（φ平 - φ）= ㏒I 0 + ㏒I=-0.803-(-1.013)=0.21v㏒ =㏒ =所以：I 0=1.9×10-5 A/㎝24、在0.1mol/L ZnCl 2溶液中电解还原锌离子时，阴极过程为浓差极化。

已知锌离子的扩散系数为1×10-5cm 2/s ，扩散层有效厚度为1.2×10-2cm 。

试求：-2.3RT αnF 2.3RT II（1）20℃时阴极的极限扩散电流密度。

（2）20℃时测得阴极过电位为0.029V ，相应的阴极电流密度应为多少？解： 电极反应：Zn 2+ + 2e → Zn（1） 稳态浓差极化时，极限扩散电流密度为j d = nFDc 0/δ已知：n=2；c 0 = 0.1mol/L=0.1×10-3mol/㎝3；δ=1.2×10-2㎝；D=1×10-5㎝2/s 。

所以 j d = 2×96500×1×10-5×0.1×10-3/1.2×10-2=0.016A/㎝2（2） 因为是浓差极化，因此阴极过电位就是浓差极化过电位，阴极电流即为扩散电流。

η浓差= -2.3RT ㏒(1-j/j d )/2F ㏒(1-j/j d ) = -2Fη浓差/2.3RT=-2×0.029/0.0581=-1 1-j/j d = 0.1 j= 0.9j d =0.9×0.016=0.0144 A/cm 2 5、试比较电化学极化与浓度极化的异同？极化是电流通过电极时，电极电势偏离平衡电极电势的现象。

浓差极化：在电化学过程中，由于有电极反应发生，造成电极附近溶液的浓度和本体溶液（指离开电极较远、浓度均匀的溶液）浓度发生了差别所致。

或者说浓度极化是因为电解质溶液中物质传递速率慢引起。

电化学极化——在电解过程中，由于电极表面上电子交换过程（电荷传递或电化学反应）进行缓慢而引起的电极电势偏离平衡电极电势的现象。

浓度极化和电化学极化的特点：见讲义6、试述交换电流密度的意义和影响因素。

（1）交换电流密度定义在平衡电位下，电极过程正反应和逆反应（或氧化和还原反应）的速率相等，正反应）或逆反应）的速率即为交换电流密度。

E=E e⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎭⎫⎝⎛=∞∞e C O o e A R o o E RT nF c k nF E RT nF c k nF I ααexp exp（2）交换电流密度的意义Exchange current density is a very useful parameter in the description of the kinetics of electrode reactions but is primarily a measure of the amount of electron-transfer activity in the equilibrium situation. A high value indicates that much simultaneous oxidation and reduction is taking place and is indicative of an inherently fast reaction. A small value suggests that only a small amount of electron-transfer occurs at the equilibrium potential and is a symptom of a slow electrode reaction.（3）交换电流密度的影响因素a) rate constantsb) electrode materials c) concentrationChapter 21、 产率和收率有和区别？如何提高反应的产率？Yield=moles of reactant converted to product / moles of reactant consumedRecovery ＝moles of product / initial moles of reactant产率是实际产量与理论产量的比值，反映了反应的选择性。

收率是实际产量与反应物质量比值，受反应的转化率和产率的影响。

提高产率的关键是抑制副反应，提高反应的选择性。

同时要提高反应的转化率。

2、 从电化学一般原理论述如何降低电解过程的电耗。

电解时电能消耗为：W=φkV cell据此进行论述。

关键是提高电流效率和降低槽电压。

3、准数和准数方程有何用处？举例说明。

（1）什么是准数。

（2）什么是准数方程。

（3）准数方程作用。

结合实例说明 4、试述电解槽设计的基本原则。

1)Simplicity2) Operational convenience and reliability 3) Integration and versatility4) Reaction engineering parameters 5)Running costs5、请用中文归纳和总结“电流分布和电位分布”这一节所讲述的内容。

略Chapter 31、提高氯碱生产中“氯氧差”可以采取哪些措施？并通过计算说明pH 的影响。

a) 提高电极材料的电催化选择性，即电极对析氯反应催化活性高，而析氧反应催化活性低。

b) 降低pH 值，氧的电极电位增加 (e.g. pH=4, E=0.99V)。

（计算说明） c) 增加Cl -的浓度来降低2Cle E 。

d) 增加电流密度 I ↑，∵ 22O Cl dI dE dI dE ⎪⎭⎫ ⎝⎛<⎪⎭⎫ ⎝⎛ ∴ 2O E 增加的比2Cl E 快。

2、氯碱生产中电能的消耗占生产费用的30%，以隔膜槽为例简述降低能耗的主要措施。

要点：（1）总能耗包括电能消耗和热能消耗（蒸发耗能）。

电解时电能消耗为：W=φkV cell氯碱生产理论耗电量k 一定，节能关键是提高电流效率和降低槽电压。

（2）槽电压other m em brane solution C A Ce A e CELL iR iR iR E E V +++++-=ηη降低槽电压的措施：A 减小理论分解电压Ea) The concentration of salt in anodic region C NaCl ↑, A e E ↓, E ↓ b) TemperatureT ↑, A e E ↓↓, Ce E ↓, E ↓c) The concentration of caustic sodiumC NaOH ↑, C e E ↓, E ↑B 降低极化Anode graphite A η≈1.0V , DSA A η<0.1V Cathode FeC η＝0.3V , Ni coating C η=0.1VC 降低欧姆压降iR bath ， iR membrane ， iR other （3）提高电流效率 关键是抑制副反应。

阳极主要副反应：析氧反应。

阴极副反应：吸氧反应溶液中副反应：氯溶后引起其它反应3、氯碱生产有哪几种主要方法？试述各自特点。

（1）三种方法原理 （2）特点和比较4、How many tons of Cl 2, H 2, NaOH can be produced in the cell which electrode area are 10 m 2 (the area of anode and cathode is same) when the current density is 10 kA/m 2 .If the anode current efficiency is 97%, how many tons of Cl 2 can be in practice produced ？2NaCl + H 2O 2NaOH + Cl 2 + H 2由法拉第定律nFItMnF QM ==G 得： h t / 1325.08.262107111010G -3Cl 2=⨯⨯⨯⨯⨯=h t /037.08.26210211010G -3H 2=⨯⨯⨯⨯⨯=h t /1493.071105.13280G -3NaOH=⨯⨯=如果电流效率是97%的话，生成h t / 1285.0%971325.0G 2Cl =⨯=5、隔膜槽用石墨阳极时，槽电压为4.5伏，改用金属阳极后，槽电压降为3.5伏，假设阳极电流效率为96%，问同样生产1吨氯气，用金属阳极后节省多少电能？（氯原子量35.5）由于电化当量：826271nF M K .⨯== 理论耗电量： k=1/K =8262.⨯/71=0.755 Ah/g 节约电能：1000000kV W cell ⨯∆=∆φ10000009600.7553.5)-(4.5W ⨯⨯=∆.=7.86510⨯ WhChapter 41. 简述熔盐电解和水溶液电解的特点。