李狄版电化学原理-第二章电化学热力学
[理学]第二章电化学热力学2
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2.1 可逆电池与可逆电极
一.可逆电池
满足下列两个条件的电池就是可逆电池
（1）电池中化学反应是可逆的，即充放电反应互为可逆过程。 （2）电池中能量的转化是可逆的，即充放电过程都在同一电压
下进行，充放电过程都在平衡状态下进行。
不满足上述条件中任一条件的电池就是不可逆电池.
2.1 可逆电池与可逆电极
2.3.相间电势
3.内电势
带电体内部一点的电位叫内电势。主要由物质本身所带电荷和表面电场
所引起的，在数值上等于把单位正电荷从无穷远处移到该相内部克服外电
场和表面电场所做的功。
直接接触的两相之间的外电位差叫做伏特电势差。
M S M S M S M S
电池可以分为可逆电池和不可逆电池，而电化学热力学计算可
适用于可逆电池体系。
2.1 可逆电池与可逆电极
电池体系有可逆电池与不可逆电池。但腐蚀原电池不是逆电池
体系。
所谓的平衡状态下的电化学体系也就是可逆状态下的电池体系。 电化学热力学的定律等只能用来描述可逆电池体系； 电池体系可以分为两个半电池，每个半电池就是一个电极体系； 电极有可逆电极与不可逆电极，每个电极有其对应电极电位；
A e
Zn
Ag+AgCl
放电反应： 0.5Zn+ AgCl =0.5Zn2++ Ag+Cl充电反应： 0.5Zn2++ Ag+Cl-=0.5Zn+ AgCl
充放电反应互为可逆，当体系通过的 电流无限小，充放电过程都在同一电势 下进行时，这个电池是可逆电池.
ZnCl2
2.1 可逆电池与可逆电极
按照电池的结构，每个电池都可分为
电化学原理-第二章-电化学热力学
1. 相间电位和电极电位 2. 平衡电极电位 3. 不可逆电极 4. 电位-pH图
2.1、相间电位和电极电位
一、相间电位 二、金属接触电位 三、电极电位 四、绝对电位和相对电位 五、液体接界电位
一、相间电位
❖ 相间电位是指两相接触时,在两相界面层中存在的 电位差。
两相之间出现电位差的原因
2. 带电粒子情况：克服试验电荷与组成M相的物质之间的短程 力作用(化学作用)所作的化学功。
❖ 如果进入M相的不是单位正电荷，而是1摩尔的带电粒子，
那么所作的化学功等于该粒子在M相中的化学位μi。若该粒
子荷电量为ne0，则1摩尔粒子所作的电功为nF ф 。F为法拉
第常量。因此，将1摩尔带电粒子移入M相所引起的全部能
❖ 它主要决定于界面层中离子双电层的形成。 ❖ 我们以锌电极(如锌插入硫酸锌溶液中所组成的电极体系)为
例，具体说明双电层的形成过程。
❖ 金属是由金属离子和自由电子按一定的晶格形式排列组成的 晶体。 金属表面的特点： 锌离子脱离晶格，必须克服晶格间的结合力--金属键力。 在金属表面的锌离子，由于键力不饱和，有吸引其他正离 子以保持与内部锌离子相同的平衡状态的趋势；同时，又 比内部离子更易于脱离晶格。
Z 2 H 2 O n n 2 Z e 2 2 n n e 2 O H
❖ 这样，随着过程的进行，锌离子溶解速度逐渐变小，锌离 子沉积速度逐渐增大。最终，当溶解速度和沉积速度相等 时，在界面上就建立起一个动态平衡。即
Z 2 2 n n e 2 O H 2 H 2 O n 2 Z en
❖ 这样，在金属／溶液界面上，对锌离于来说，存在着两种 矛盾着的作用：
① 金属晶格中自由电子对锌离子的静电引力。它既起着阻止 表面的锌离子脱离晶格而溶解到溶液中去的作用，又促使 界面附近溶液中的水化锌离子脱水化而沉积到金属表面来。
李狄版电化学原理-第二章__电化学热力学
电池的表示方法
250C , (-) Zn|ZnSO4(αZn2+=1) || CuSO4(αCu2+=1) |Cu (+) 1、负极写在左边，正极写在右边，溶液写在中间。溶液中有关 离子的活度或浓度，气态物质的气体分压应注明 2、两相界面用单竖线“∣”或“，”隔开，两种溶液通过盐
桥连接，用双竖线“‖”表示盐桥。
形成原因：
不同的金属相中电子的电化学位不同，电子逸出金 属相的难易程度也不同。通常以电子逸出功来衡量电 子逸出金属的难易程度。
结果：
电子逸出功低
电子逸出功高
电子逸出功高的金属带 负电，电子逸出功低的金属 带正电；形成双电层的电位 差→金属接触电位。
2.1.3、电极电位
1 电极体系（简称电极） 如果在相互接触的两个导体相中，一个是电子导电相，另一个 是离子导电相，并且在界面上有电荷转移，这个体系就称为电 极体系（简称电极）。
E = M S - R + R M R =0 E（相对电位）= = M S + R M 实际上，相对电极电位不仅包括M S ，而且包括金属接触电
位 R M 。
3 绝对电位符号的规定
规定溶液深处电位为零，金属与溶液的内电位差看成是金属 相对于溶液的电位降。 金属一侧带正电， 溶液一侧带有负 电，M S 为正值 反之，： M S 为负值。
E ΔZn φS ΔSφCu ΔCuφ Zn
电极材料不变，Cu Zn是恒定值； 若S Cu 恒定，
E = ( Zn S ) 即：绝对电位的变化值是可求出的。
E有用，对不同电极测 量， E 的大小顺序与绝对 电位的大小顺序一致。 参比电极 能作为基准的，其电极电 位保持恒定的电极。
920124-李狄-电化学原理-第二章-作业
() Cu2 2e Cu
电池反应
Zn Cu2 Zn2 Cu
( E ) p 1.103 1.101 0.0004V / K
T
298 293
G nFE 2 964851.101 212.46KJ / mol
S nF ( E ) p 2 96485 4.010 4 77.2J / mol T
0.0591lg 2
4c3
3
Eb
Ea
0.0591lg 2
4ca3a 4cb3b
3 3
3 0.0591(lg 2
ca cb
lg
a b
)
lg a (1.2244 1.10085) 2 lg 0.25148 0.3078
b
3 0.0591
0.0050
a 0.49 b
18. 有两个电池
（a）Ag|AgCl(固), S1|H2,Pt –Pt ,H2 |S2, AgCl(固)|Ag （b）Ag|AgCl(固), S1|S2, AgCl(固)|Ag 已知S1为0.082mol/Kg的HCl乙醇溶液， S2为0.0082mol/Kg的HCl 乙醇溶液。已知250C时的电动势|Ea|=82.2 mV，电动势|Eb|=57.9 mV 。
电极反应
() H 2 2H 2e () I 2 2e 2I
电池反应
H 2 I 2 2HI
E
E0
RT 2F
ln
1
HI 2
E0
0
0
0(350C)
0(250C) 1.310 4(t 250C)
0.5346 1.310 4(350C 250C) 0.5333V
（3）该反应的△G0值 （4）该反应的平衡常数K值 （5）如果把上述反应改写成1/2H2(101325 Pa)+1/2I2=2HI （α=1），以上各问的答案是否会改变
电化学原理_(李狄_著)北航出版社_课后1-7章习题参考答案
电化学原理第一章习题答案1、解：2266KCl KCl H O H O 0.001141.31.010142.31010001000c K K K K cm 11λ−−−−×=+=+=+×=×Ω溶液 2、解：E V Fi i =λ，FE V i i λ=，，， 10288.0−⋅=+s cm V H 10050.0−⋅=+s cm V K 10051.0−⋅=−s cm V Cl 3、解：,62.550121,,,,2−−⋅Ω=−+=eq cm KCl o HCl o KOH o O H o λλλλ2O c c c ,c 1.004H H +−====设故，2,811c5.510cm 1000o H O λκ−−−==×Ω4、（1）121,,Cl ,t t 1,t 76.33mol (KCl o KCl o Cl cm λλλλλ−−−−+−+−=++=∴==Ω⋅∵中）121121121,K ,Na ,Cl 73.49mol 50.14mol 76.31mol (NaCl o o o cm cm cm λλλ++−−−−−−−=Ω⋅=Ω⋅=Ω⋅同理：，，中）（2）由上述结果可知： 121Cl ,Na ,121Cl ,K ,mol 45.126mol 82.142−−−−⋅Ω=+⋅Ω=+−+−+cm cm o o o o λλλλ，在KCl 与NaCl 溶液中−Cl ,o λ相等，所以证明离子独立移动定律的正确性；（3） vs cm vs cm u vs cm u F u a o o l o l o i o /1020.5,/1062.7,/1091.7,/24N ,24K ,24C ,C ,,−−−×=×=×==++−−λλ5、解：Cu(OH)2== Cu 2++2OH -,设=y ；2Cu c +OH c −=2y 则K S =4y 3因为u=Σu i =KH 2O+10-3[y λCu 2++2y λOH -]以o λ代替λ（稀溶液）代入上式，求得y=1.36×10-4mol/dm 3所以Ks=4y 3=1.006×10-11 (mol/dm 3)36、解： ==+，令=y ，3AgIO +Ag −3IO Ag c +3IO c −=y ，则=y S K 2，K=i K ∑=+（y O H K 2310−+Ag λ+y −3IO λ）作为无限稀溶液处理，用0λ代替，=+y O H K 2310−3AgIO λ则：y=43651074.1104.68101.11030.1−−−×=××−×L mol /;∴= y S K 2=3.03810−×2)/(L mol 7、解：HAc o ,λ=HCl o ,λ+NaAc o ,λ-NaCl o ,λ=390.7，121−−⋅Ωeq cm HAc o ,λ=9.02121−−⋅Ωeq cm ∴α0/λλ==0.023，==1.69αK _2)1/(V αα−510−×8、解：由欧姆定律IR=iS KS l ⋅=K il,∵K=1000c λ,∴IR=1000il cλ⋅=V 79.05.0126101010533≈××××− 9、解：公式log ±γ=-0.5115||||+Z −Z I （设25）C °（1）±γ=0.9740，I=212i i z m ∑,I=212i i c z ∑，=（）±m ++νm −−νm ν1（2）±γ=0.9101，（3）±γ=0.6487，（4）±γ=0.811410、解：=+H a ±γ+H m ，pH=-log =-log （0.209+H a 4.0×）=1.08电化学原理第二章习题答案1、 解：()+2326623Sb O H e Sb H O ++++ ，()−236H H +6e + ，电池:2322323Sb O H Sb H O ++解法一：00G E nF ∆=−83646F =0.0143V ≈，E=+0E 2.36RT F 2232323log H Sb O Sb H OP a a a ==0.0143V0E 解法二：0602.3 2.3log log 6Sb Sb H H RT RT a a F Fϕϕϕ+++=+=+； 2.3log H RTa Fϕ+−=∴000.0143Sb E E ϕϕϕ+−=−===V2解：⑴，(()+22442H O e H O +++ )−224H H +4e + ；电池:22222H O H O +2220022.3log 4H O H O P P RT E E E Fa =+= 查表：0ϕ+=1.229V ，0ϕ−=0.000V ，001.229E V ϕϕ+−∴=−= ⑵视为无限稀释溶液，以浓度代替活度计算()242Sn Sn e ++−+ ，()，电池:32222Fe e Fe ++++ 23422Sn Fe Sn Fe 2+++++ +23422022.3log 2Sn Fe Sn Fe C C RT E E F C C ++++=+=（0.771-0.15）+220.05910.001(0.01)log 20.01(0.001)××=0.6505V ⑶()，，(0.1)Ag Ag m e +−+ ()(1)Ag m e Ag +++ (1)(0.1)Ag m Ag m ++→电池：(1)0(0.1)2.3log Ag m Ag m a RT E E F a ++=+，（其中，=0） 0E 查表：1m 中3AgNO 0.4V γ±=，0.1m 中3AgNO 0.72V γ±=， 2.310.4log0.0440.10.72RT E V F×∴==× 3、 解：2222|(),()|(),Cl Hg Hg Cl s KCl m Cl P Pt ()2222Hg Cl Hg Cl e −−++ ，()222Cl e Cl −++ ，222Hg Cl Hg Cl 2+ 电池：222200002.3log 2Cl Hg Hg Cl P a RT E E E F a ϕϕ+−=+==−∵O 1.35950.2681 1.0914(25C)E V ，∴=−=设 由于E 与无关，故两种溶液中的电动势均为上值Cl a −其他解法：①E ϕϕ+=−−0，亦得出0E ϕϕ+=−−②按Cl a −计算ϕ+，查表得ϕ甘汞，则E ϕϕ+=−甘汞 4、 ⑴解法一：23,(1)|(1)()H Pt H atm HCl a AgNO m Ag +=()222H H e +−+ 222，()Ag e Ag +++ g ，2222H Ag H A ++++ 电池：有E ϕϕϕ+−=−=+，02.3log()AgAgAg RTE m Fϕγ++±∴=−。
第二章电化学热力学
根据电位差公式，可得：
则有： 可把与参比电极有关的第二项看成是参比电极的相对电 位，把与被测电极有关的第一项看成是被测电极的相对 电位，上式可简化为： 如果规定参比电极的相对电位为零，则： 而且有：
2.2.3 绝对电位的符号规定
根据绝对电位的定义，通把溶液深处看作是距离金属溶 液界面无穷远处，认为溶液深处的电位为零，把金属与 溶液的内电位差看成是金属相对于溶液的电位降。
2.1.2 出现相间电势的原因 界面层中带电粒子或偶极子的非均匀分布，导致一侧有过剩的 正电荷,另一侧有过剩的负电荷,形成双电层。 （1）剩余电荷层：由于带电粒子(电子或离子)在两相间转移， 导致两相中都出现了剩余电荷，这些剩余电荷或多或少地集中 在界面两侧，就形成了双电层； （ 2）吸附双电层：带有不同符号电荷的粒子(阳离子和阴离子) 在表面层中的吸附量不同，因而在界面层与溶液本体中出现了 符号相反的电荷； （3）偶极子层：偶极分子在界面层中的定向排列; （4）金属表面电位：金属表面因各种 短程力作用而形成的表 面电位差。
相间：两相界面上不同于基体性质的过度层。
相间电位：两相接触时，在两相界面层中存在 的电位差。
产生电位差的原因：荷电粒子(含偶极子) 的非均匀分布 。
2.1.1 相间电势差
两相接触时，由于种种 原因，在两相之间的界 面上，就会产生电势差： （1）金属接触电势 （2）金属-溶液间电势 （电极电势） （3）液体接界电势 （扩散电势） (-) Cu(s) Zn(s)ZnSO4(aq) , CuSO4(aq) Cu(s)Cu(s) (+) 金属-金属 溶液-溶液 金属-溶液
2.1.5 粒子的逸出功(Wi) 将该粒子从实物相内部逸出至表面近处真空中所需要作的 功．逸出功的数值和实物相以及脱出粒子的化学本质有关。 粒子逸出功： 电子逸出功：
电化学第2讲热力学与动力学(1)
▪ 这种情况下．“电极”二字并不代表电极体系，而只 表示电极体系中的电极材料。所以，应予以区分。
Zn ZnSO4 Zn2 1 CuSO4 Cu2 1 Cu
电池的可逆性
化学热力学是反映平衡状态规律的。必须首先区 别电池的反应过程是可逆的还是不可逆的。电池进行 可逆变化，必须具备以下两个条件：
（1）电池中的化学变化是可逆的，即物质的变化 是可逆的。电池在工作过程（放电过程）所发生的物 质变化，在通常以反向电流（充电过程）时，又重新 恢复原状的可能性。例如，常用的铅酸蓄电池的放电 和充电过程恰好是互逆的化学反应，即:
参与反应 的电子数
电池反应通 过的电量
▪ 根据化学热力学：恒温恒压下，可逆过程所做
的最大有用功等于体系自由能 G 的减少，
即有： ▪ 所以：
W G
G nFE
E G nF
化学能与电能之间转化 的定量关系
原电池的温度系数
▪ 在恒压下原电池电动势对温度的偏导数称为原
电池电动势的温度系数，以
E (T )P
nF
nF a a Zn Cu 2
▪ 当参加电池反应的物质处于标准状态时，有：
标准电动势
E0 RT ln K nF
▪ 非标准状态下，有：
Zn Cu2 Cu Zn2
E E0 RT ln a a Cu Zn2 nF a a Zn Cu2
原电池电动势热力学计算公式（能斯特公式）：
或
E E0 RT ln nF
将金属锌和铜一起插入硫酸溶液所组成的电池就不具 备可逆性。其放电反应为:
Zn H2SO4 ZnSO4 H2
充电反应则为:
Cu H2SO4 CuSO 4 H2 放电时，锌电极是阳极（负极）；充电时，铜电极是 阳极（正极）。由于所发生的电池反应不同，因而经 过放电、充电这样一个循环之后，电池中的物质变化 不可能恢复原状。
《电化学原理第二章》PPT课件
溶液(1)
§2.2 电化学体系
电化学体系有三类 1.原电池：电化学反应自发进行并能对外做功，自发将电流送到外电 路中做功。 2.电解池：与外电源组成回路，强迫电流在电化学体系中通过并促使 电化学反应发生。 3.腐蚀电池：电化学反应自发进行，但不对外做功，仅起金属破坏作 用。
16:23:07
一、 原电池
例2： 2Ag + Hg2Cl2 2Hg + AgCl
阳极：Ag + Cl- - e → AgCl 阴极：Hg2Cl2 + 2e → 2Hg + 2Cl原电池表示为： Ag∣AgCl(s), Cl-(α1)‖Cl-(α2), Hg2Cl2(s)∣Hg(
16:23:07
例3：
H2 (P1) + Cl2 (P2)
阳极
16:23:07
E
电池电动势:
E = c - a+液接 = 右 - 左+液接
阴极
例1： Zn + CuSO4(α2) ZnSO4(α1)+Cu
阳极 Zn – 2e → Zn2+ 阴极 Cu2+ + 2e → Cu 原电池表示： Zn∣ZnSO4(α1)‖CuSO4(α2)∣Cu
16:23:07
16:23:07
二、金属接触电位
相互接触的两金属相之间的外电位差称为金属接触电位。 不同金属对电子亲和力不同，故在不同金属相中电子的电化学位不相等，电子逸出难易不同。 电子逸出功:金属电子离开金属逸出真空中所需要的最低能量来衡量电子逸出金属的难易程度，这一能量 叫电子逸出功。 其电子逸出功不同，相互逸入的电子数目将不等，故在界面形成双电子层结构。电子逸出功高的相带负 电，电子逸出功低的相带正电。两相间双电子层的电位差即为金属接触电位。
(整理)第二章 电化学反应热力学
第二章 电化学反应热力学第一节 电化学体系一、两类电化学装置镀镍是重要电化学工业之一，其装置 示意图如图2．1所示镀镍溶液(主要成分为 NiS04，还有缓冲剂、添加剂等)电解槽或电解池：把两个电极与直流电源连结，使电流通过体系的装置原电池或化学电源：在两电极与外电路中的负载接通后自发地将电能送到外电路的装置。
上述两类电化学装置，也称为电化学体系。
原电沲与电解池的两个电极之间存在着电位差，电位较高的电极称为正极，电位较低的电极称为负极。
在自发电池中，电流(习惯上指正电荷)自正极经外电路流向负极。
电解池的正、负极分别与外电源的正、负极相连。
事实上，在外电路传送的电荷都是电子，电子流动方向与习惯上认为的电流方向相反。
人为规定使正电荷由电极进入溶液的电极称为阳极，使正电荷由溶液进入电极的电极称为阴极，在阳极上进行氧化反应，在阴极上进行还原反应。
在电解时，正极是阳极，负极是阴极。
在原电池中负极是阳极，正极是阴极。
用正、负极名称是按电位高低来区分，用阴、阳极名称是按电极进行还原或氧化反应来区分。
也有用氧化极、还原极来称呼电极的，前者即阳极、后者为阴极。
电流通过电化学体系，必须有两类导体：电子导体和离子导体，以及在这两类导体的界面上进行电化学反应。
因此，电化学的研究对象应当包括三部分：电子导体、离子导体、两类导体的界面及其上发生的一切变化。
电子导体属于物理研究的范围，在电化学中一般只引用它们所得的结论。
离子导体包括电解质溶液、熔融盐和固体电解质。
经典电化学的主要内容:电解质溶液理论。
近代电化学的主要内容: 两类导体的界面性质及界面上所发生的变化,涉及图 2.1 镀镍装置示意图化学热力学和化学动力学的许多问题。
电化学包括的基本内容为电解质溶液理论,电化学平衡和电极对程动力学能量的转换: 电解池，把电能转变为化学能；化学电源,使化学能转变为电能。
电化学主要是研究化学能和电能之间相互转化以及和这过程有关的定律和规则的科学。
第二章 电化学热力学
液体接界电位（扩散电位）j
Liquid junction potential——diffusion potential
➢ 定义：相互接触的两个组成不同的电解质溶液之 间存在的相间电位。
➢ 形成的原因：由于两溶液相组成或浓度不同， 溶质粒子将自发的从高浓度向低浓度的相迁移， 就是扩散的作用。正负离子运动速度不同在相 界面形成的双电层，产生一定的电位差。
电位测量装置 V
盐桥
测量体系
为了记 录通电 后WE电 位变 化，需 RE
辅助CE 研 WE
参RE
三电极体系与两回路
电解池
V
R大
CE
RE 测量回路
WE
E
极化回路
经典恒流法测量电路
三电极
工作电极（Working Electrode 标准缩写 WE） 又称研究电极或指示电极（IE）
辅助电极（Auxiliary Electrode 标准缩写 AE ） 又称对电极（Counter Electrode CE ）
➢ 特点：相对稳定；无法测量；不可逆；尽量消除。 ➢ 消除方法：在两种溶液之间接盐桥。
盐桥
electrolytic bridge
通常内盛饱和 KCl溶液或饱和NH4NO3 或高浓度的KNO3 溶液（加入少量琼脂配成凝胶体，使盐桥溶液既能导电又防 止液体流动）。高浓度：主要扩散作用出自盐桥，全部电流 几乎全由盐桥中的离子带过液体接界面，在正负离子迁移速 度近于相等的条件下，液体接界电位可以降低到忽略不计的 程度。
双方都有NO3－离子且
H+
浓度相同，可认为
【电化学】第二章 电化学热力学 (1)
故从理论来看，要衡量一个电极反应是否达到平衡，就把测量的MS
与此平衡值相比教，若二者相等，则达到平衡；若前者<后者，则电极
反应自动进行，但实际上
M、三者S、都无M法S测量。
所测量的电位差E包含了所有界面电位之差为：
E M1 S S M2 M2 M1
2、标准电极电位
各个电极的绝对电位不能测量，因此需要选择一个电 极作标准，这样其它电极的电位则可通过测量出它们 电极电位差以获得其相对数值。
E = Eo –(RT/F)ln(aAg+aCl-) 因为AgCl和Ag为固体，它们的活度为1。它们的溶液为稀溶 液。浓度等于活度。Ksp就是溶度积。
Eo= -0.5767 = -8.314298/96500lnKsp 因此Ksp = 1.78 10-10。
4）化合物和离子迁移数的测定 同样，首先设定电池和反应，然后写出电动势表达式
二、液体界面(扩散)电位差
1、界面电位差的类型：
（1）两种不同金属界面上的接触电位差。 （2）金属与电解质溶液界面上的电位差。 （3）两种不同溶液界面上的电位差，又叫液体接界电
位、液接电位、扩散电位
2、产生界面电位差的原因：
（1）两相间电荷的穿越，其穿越的带电粒子可为阳离 子、阴离子和电子。
（2）界面的一侧选择性的吸附某种离子。 （3）极性分子倾向于在界面上定向排列。
F
cFe2
E E0' RT ln cFe3
F
cFe2
注：E0'的大小与溶液组成有关。
§2.3电动势和理论分解电压
1、电解反应和电池反应是两个互为逆向的反应 以电解HCl为例。
电极反应：2Cl- ⇋ Cl2 + 2e 2H+ + 2e ⇋ H2
李狄版电化学原理-第二章电化学热力学
E = M S - R + R M R =0 E（相对电位）= = M S + R M 实际上，相对电极电位不仅包括M S ，而且包括金属接触电
位 R M 。
3 绝对电位符号的规定
规定溶液深处电位为零，金属与溶液的内电位差看成是金属 相对于溶液的电位降。 金属一侧带正电， 溶液一侧带有负 电，M S 为正值 反之，： M S 为负值。
B i A i
相间平衡条件（相间稳定分布的条件）
G
A B i
0
B i
A i
2. 带电粒子：a 克服短程力做功-化学能变化 b 克服长程力做功-电能变化 1mol带电粒子在M相中所具有的能量有两部分构成 化学能 克服物相M与1mol带电粒子之间短程力所作的化学功 用w化=μi表示。 电能 将1mol带电粒子从无穷远处移至实物相内部所做的功
4 原电池电动势的温度系数 在恒压下，原电池电动势对温度的偏导数称为原电池 电动势的温度系数。
表示为：
E T P
(G ) (G ) E G H T s nF T P T T P E H nFE nFT T P
Zn
S
2.1.4 绝对电位和相对电位
1. 绝对电位：电极电位 是金属与溶液之间的 内电位差，其数值称 为电极的绝对电位。
Zn
P
E
Cu
绝对电位不可能测量
溶液
E (
Zn
Zn S
) ( ) (
S S Cu S Cu
Cu
)
Zn
Cu
Zn
2 参比电位和相对电位
李狄-电化学原理-第二章-电化学热力学
第二节
电化学体系
一. 三种电化学体系： 原电池(Galvanic cell)：凡是能将化学 能直接转变为电能的电化学装置叫做原 电池或自发电池； 电解池(Electrolytic cell)：将电能转 化为化学能的电化学体系叫电解电池或 电解池； 腐蚀电池(Corrosion cell)：只能导致 金属材料破坏而不能对外界做有用功的 短路原电池。
相对（电极）电位：研究电极与参比电 极组成的原电池电动势称为该电极的相 对（电极）电位 ，用 表示。 符号规定： 0 研究电极在原电池中发生还原反应： 0 研究电极在原电池中发生氧化反应：
氢标电位
定义：标准氢电极作 参比电极时测得的电 极相对电位 。如：
Pt|H2,H+||Ag2+|Ag
i
或 0
带电粒子：
W2
W1
W2
W1
将单位正电荷从无穷远处移至实物相内部所做的功
将单位正电荷e从无穷远处移至离良导体球 体M10-4~10-5cm处，电荷与球体之间只有长 程力（库仑力）作用：
W1
从10-4~10-5cm处越过表面层到达M相内： W2 界面短程力做电功： 克服物相M与试验电荷之间短程力所作的化 学功：W化
0.799V
液体接界电位与盐桥
液体接界电位：相互接触的两个组成不 同或浓度不同的电解质溶液之间存在的 相间电位。
产生的原因：各种离子具有不同的迁移 速率而引起。
由于离子扩散速度不同造成的液体接界电位
盐桥：饱和KCl溶液中加入3%琼脂。
由于K+、Cl-的扩散速度接近，液体接 界电位可以保持恒定。
电化学原理-(李狄-著)北航出版社-课后5-9章习题参考答案
第五章1、在电极界面附近的液层中，是否总存在三种传质方式？为什么？每种传质方式的传质速度如何表示？答：电极界面附近的液层通常是指扩散层，可以同时存在着三种传质方式（电迁移、对流和 扩散），但当溶液中含有大量局外电解质时，反应离子的迁移数很小，电迁移传质作用可以忽略不计，而且根据流体力学，电极界面附近液层的对流速度非常小，因此电极界面附近液 层主要传质方式是扩散。
三种传质方式的传质速度可用各自的电流密度J 来表示。
电迁移： 对流：扩散：2. 在什么条件下才能实现稳态扩散过程？实际稳态扩散过程的规律与理想稳态扩散过程有 什么区别？答：一定强度的对流的存在是稳态扩散过程的前提。
区别：在理想稳态扩散条件下，扩散层有确定的厚度，其厚度等于毛细管的长度l ；而在真实体系中，由于对流作用与扩散作用的重叠，只能根据一定的理论来近似求得扩散层的厚度。
理想稳态扩散： 实际稳态扩散： 3. 旋转圆盘电极和旋转圆环圆盘电极有什么优点？它们在电化学测量中有什么重要用途？ 答： 旋转圆盘电极和旋转圆环圆盘电极上各点的扩散层厚度是均匀的，因此电极表面各处的电流密度分布均匀。
这克服了平面电极表面受对流作用影响不均匀的缺点。
它们可以测量并分析极化曲线，研究反应中间产物的组成及其电极过程动力学规律。
4. 试比较扩散层、分散层和边界层的区别。
扩散层中有没有剩余电荷？答：紧靠电极表面附近，有一薄层，此层内存在反应粒子的浓度梯度，这层叫做扩散层；电极表面的荷电粒子由于热运动而倾向于均匀分布，从而使剩余电荷不可能完全紧贴着电极表面分布，而具有一定的分散性，形成所谓分散层；靠近电极表面附近的液流层叫做边界层，越接近电极表面，其液流流速越小。
电极/溶液界面存在着离子双电层时，金属一侧的剩余电荷来源于电子的过剩或缺贫。
双电层一侧区可以认为各种离子浓度分布只受双电层电场影响，不受其它传质（包括扩散）过程的影响。
因此扩散层中没有剩余电荷。
5. 假定一个稳态电极过程受传质步骤控制，并假设该电极过程为阴离子在阴极还原。
电化学腐蚀热力学
过电位
01
定义：把某一极化电流密度下的电极电位与其平衡电位之差称为该电极反应的过电位。
腐蚀原电池定义：只能导致金属材料破坏而不能对外界作有用功的短路的原电池。
含杂质Cu的Zn板在盐酸中的演化实验
在混合电位下有如下规律：
01
02
多电极反应耦合系统
当一个孤立电极上有N>2个电极反应同时进行，且外电流等于0，这些电极反应组成了多电极反应耦合系统。 规律：
2－4 金属电化学腐蚀倾向的判据
金属及其化合物的热力学能量变化示意图
自由能判据 GT,P＝0，平衡 GT,P<0，自发 GT,P>0，不可能发生
虚线（b）表示O2(分压 =10135Pa)和H2O的平衡关系，即：O2 +4H+ +4e → 2H2O
0 0 0 0
Fe3+
腐蚀
Fe2O3
钝态
Fe3O4
腐蚀 HFeO2-
稳定Fe
铁——水体系简化电位——PH平衡图 三种区域的划分
第二章 金属电化学热力学
2
1
5
本章重要知识点：
☼电极电位
☼腐蚀原电池、混合电位、交换电流密度、过电位
4
☼金属腐蚀倾向的热力学判据
3
☼平衡电极电位与非平衡电极电位
6
☼电位-pH图
问题的提出
电化学腐蚀是如何产生的？
腐蚀产生的条件是什么？为什么有些情况下产生腐蚀，而另外一些则不会？
1
2
3
4
5
6
非平衡电极电位
01
当金属电极上同时存在两个或两个以上不同物质参与的电化学反应时，电极上不可能出现物质交换和电荷交换均达到平衡的情况，这种情况下的电极电位称为非平衡电极电位，或不可逆电极电位。
第二章电化学热力学55页PPT
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2.参比电极（Reference electrode）
参比电极具有已知恒定的电位，为研究对象提 供一个电位标准。测量时，参比电极上通过的 电流极小，不致引起参比电极的极化。经常使 用的参比电极主要有以下三种：
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A. 标准氢电极（NHE） 常以氢离子和氢气的活度为1时的电位即E0为 电极电位的基准，其值为0.
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相间电位和电极电位
• 实物的相电位 • 相电位差 • 电极电位：外部电位差的代数和
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第二节 相间电位
• 相间：两相界面上不同于基体性质的过 度层。
• 相间电位：两相接触时，在两相界面层 中存在的电位差。
• 产生电位差的原因：荷电粒子（含 偶极子）的非均匀分布 。
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一.形成相间电位的可能情形
• 剩余电荷层：带电粒子在两相间的转移 或利用外电源向界面两侧充电 ；
• 吸附双电层：阴、阳离子在界面层中吸 附量不同，使界面与相本体中出现等值 反号电荷 ；
• 偶极子层：极性分子在界面溶液一侧定 向排列 ；
• 金属表面电位：金属表面因各种 短程力 作用而形成的表面电位差。
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S
M
M
SM
S
M
S
剩余电荷引起 的离子双电层
偶极子层
第2章电化学热力学学习资料
(3)电化学位差，定义为
iB i A
电化学原理
2.1.2金属接触电位
定义：相互接触的两个金属相之间的外电位差称为金属接触电位。
②极性水分子对锌离子的水化作用。
Z n 2 . 2 e n H 2 O ƒ Z n 2 .H 2 O n 2 e
⑶与动态平衡相对应，在界面层中会形成一定的剩余电荷分布。我 们称金属／溶液界面层这种相对稳定的剩余电荷分布为离子双电层。 离子双电层的电位差就是金属／溶液之同的相间电位(电极电位)的 主要来源。
MS MS材中规定还原态物 质的，取负值；氧化态物
质，取正值。
电化学原理
2.1.4绝对电位和相对电位
1、绝对电位和相对电位的概念
电极电位就是金属和溶液之间的内电位差，其数值为电极的绝 对电位。然而，绝对电位不可能测量出来。
以锌电极为例。为了测量锌与溶液的内电位差，就需要把锌电 极接入一个回路中，如下图所示。
⑵当金属浸入溶液时，便打破了各自原有的平衡状态：极性水分子 和金属表面的锌离子相互吸引而定向排列在金属表面上；同时锌离 子在水分子的吸引和不停的热运动冲击下，脱离晶格的趋势增大了， 这就是所谓水分子对金属离子的水化作用。
电化学原理 在金属/溶液的界面上，对锌离子来说，存在着两种矛盾着的 作用：
①金属晶格中自由电子对锌离子的静电引力。
1、离子双电层的形成过程。（锌离子为例）
⑴金属表面的特点
金属是由金属离子和自由电子按一定的晶格形式排列组成的晶体。 锌离子要脱离晶格，就必须克服晶格间的结合力，即金属键力。在 金属表面的锌离子，由于键力不饱和，有吸引其他正离子以保持与 内部锌离子相同的平衡状态的趋势；同时，又比内部离子更易于脱 离晶格。
920124-李狄-电化学原理-第二章-作业
电极反应
() ()
Zn Zn2 2e Hg2Cl2 2e 2Hg 2Cl
电池反应
Zn Hg 2Cl 2 Zn2 2Hg 2Cl
E
E0
RT 2F
ln
Zn 2
Cl
2
E
E0
RT 2F
ln
Zn 2
Cl
2
E
E0
RT 2F
ln(cZn 2
)(c Cl
)2
E
E0
RT 2F
ln
4c3
3
E0
m' '
nF ' ' F ' '
m' ' ' '
lg ' 0.0822 lg 0.082 0.3046 ' 0.496
' ' 2 0.0591 0.0082
' '
电池2是有迁移浓差电池，且电极对阴离子可逆
(2)Eb t RT ln( ' ) 2t RT ln( ' )
nF ''
电极反应
() H 2 2H 2e () I 2 2e 2I
电池反应
H 2 I 2 2HI
E
E0
RT 2F
ln
1
HI 2
E0
0
0
0(350C)
0(250C) 1.310 4(t 250C)
0.5346 1.310 4(350C 250C) 0.5333V
（3）该反应的△G0值 （4）该反应的平衡常数K值 （5）如果把上述反应改写成1/2H2(101325 Pa)+1/2I2=2HI （α=1），以上各问的答案是否会改变
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相间平衡条件（相间稳定分布的条件）
G
A B i
0
B i
A i
2. 带电粒子：a 克服短程力做功-化学能变化 b 克服长程力做功-电能变化 1mol带电粒子在M相中所具有的能量有两部分构成 化学能 克服物相M与1mol带电粒子之间短程力所作的化学功 用w化=μi表示。 电能 将1mol带电粒子从无穷远处移至实物相内部所做的功
电极相对电位
将参比电极与被测电极组成一个原电池回路，所测出的端电压E 叫做被测电极相对电位，习惯上称为电极电位，用表示,如 / SCE， /SHE.
E = M S - R S + R M
M S 是被测电极的绝对电位；R S是参比电极的绝对电位； R M为两个金属相R与M的金属接触电位。
M
S
剩余电荷引起 的离子双电层
M
S
吸附双电层
3. 偶极子层：极性分子在界面溶液一侧定向排列 ； 4. 金属表面电位：金属表面因各种 短程力作用而形 成的表面电位差。
M
S
偶极子层
M
S 金属表面电位
1、 查表得0.02 mol/Kg Pb(NO3)2溶液的平均活度系 数γ±=0.60，计算0.02 mol/Kg Pb(NO3)2溶液的平均活 度（ D ）。 A 0.024； B 0.018； C 0.012； D 0.019。 2、下列哪一种情况是跨越两相界面的相间电位 （ A ）。 A 离子双电层； B 吸附双电层； C 偶极子层； D 金属表面电位。
Zn
S
2.1.4 绝对电位和相对电位
1. 绝对电位：电极电位 是金属与溶液之间的 内电位差，其数值称 为电极的绝对电位。
Zn
P
E
Cu
绝对电位不可能测量
溶液
E (
Zn
Zn S
) ( ) (
S S Cu S Cu
Cu
)
Zn
Cu
Zn
2 参比电位和相对电位
在电化学中，“电极”常指电极材料，不代表电极体系。
电极体系的主要特征是： 在电荷转移的同时，不可避免地要在界面上发生物质的变化（ 化学变化）
2 电极电位
电极体系中，两类导体界面所形成的相间电位，即电极材料和 离子导体（溶液）的内电位差称为电极电位。
形成原因：
以锌-硫酸锌为例 当锌片与硫酸锌溶液接触时，金属锌中Zn2＋的电化学位大于溶液 中Zn2＋的电化学位，则锌不断溶解到溶液中，而电子留在锌片 上。 结果：金属带负电，溶液带正电； 形成离子双电层→电极电位。
粒子在相间转移的原因与稳态分布的件
原因：两相接触时，i粒子自发从能态高的相(A)向 能态低的相(B)转移。
1、不带电粒子：只克服短程力做功-化学能变化
长程力：随距离的增加而缓慢减少。如静电引力。 短程力：即力的作用范围很小，影响力随距离的增加而急速减小 如范德华力，共价键力。
G
A B i
0
4 氢标电位和相对电位符号的规定 Pt, H2 (p=101325 Pa) | H+ (α = 1) H+ + e 1/ 2 H2 0H2 / H+ = 0.000V（任何温度）
氢标电位
第二章
电化学热力学
2.1 相间电位和电极电位
2.1.1 相间电位 相间电位：两相接触时，在两相界面层中存在的 电位差。
产生电位差的原因：带电粒子（含偶极子）在界 面层中的非均匀分布 。
形成相间电位的可能情形
1. 离子双电层：带电粒子在两相间的转移或利用外 电源向界面两侧充电，使两相出现剩余电荷； 2. 吸附双电层：阴、阳离子在界面层中吸附量不同， 使界面层与相本体中出现等值反号电荷 ；
E = M S - R + R M R =0 E（相对电位）= = M S + R M 实际上，相对电极电位不仅包括M S ，而且包括金属接触电
位 R M 。
3 绝对电位符号的规定
规定溶液深处电位为零，金属与溶液的内电位差看成是金属 相对于溶液的电位降。 金属一侧带正电， 溶液一侧带有负 电，M S 为正值 反之，： M S 为负值。
E ΔZn φS ΔSφCu ΔCuφ Zn
电极材料不变，Cu Zn是恒定值； 若S Cu 恒定，
E = ( Zn S ) 即：绝对电位的变化值是可求出的。
E有用，对不同电极测 量， E 的大小顺序与绝对 电位的大小顺序一致。 参比电极 能作为基准的，其电极电 位保持恒定的电极。
Φ=ψ+χ
Φ称为M相的内电位 1mol带电粒子在M相的电能 nF Φ
1mol带电粒子移入M相中所引起的能量变化
i i nF nF
i i粒子在M相中的电化学位
电化学位与M相所带的电荷数量和分布情况以及该粒子和M 相物质的化学本性有关
∴两相接触时，带电粒子在两相中建立平衡的条件为：
形成原因：
不同的金属相中电子的电化学位不同，电子逸出金 属相的难易程度也不同。通常以电子逸出功来衡量电 子逸出金属的难易程度。
结果：
电子逸出功低
电子逸出功高
电子逸出功高的金属带 负电，电子逸出功低的金属 带正电；形成双电层的电位 差→金属接触电位。
2.1.3、电极电位
1 电极体系（简称电极） 如果在相互接触的两个导体相中，一个是电子导电相，另一个 是离子导电相，并且在界面上有电荷转移，这个体系就称为电 极体系（简称电极）。
i i
B
A
1、两相接触时，不带电粒子自发从能态高的相A向能态低 的相B转移，不带电粒子在两相中建立平衡的条件为 （ ）。 B A B A B A B A A i i B i i C i i D i i 。
2.1.2、金属接触电位
相互接触的两个金属相之间的外电位差。
将单位正电荷从无穷远处移至实物相内部所做的功
无穷远处，静 电作用力=0
W2
W1
界面短程力使得表面 层成为一层偶极子层 单位正电荷越过表面 层（偶极子层）所做 的功，W2=χ，称为M 相的表面电位
真空中，任何一点的电位 等于一个单位正电荷从无 穷远处移至该处所做的功。 W1=ψ，称为M相的外电 位