电化学电池
- 我们之前已经看到了氧化还原反应包括同时发生氧化而且减少当电子从还原剂到氧化剂
- 电子以何种方式流动取决于所涉及的物质的反应性
- 氧化还原化学在化学领域有非常重要的应用电化学电池,有两种类型:
- 伏打电池
- 电解电池
伏打电池
- Ag)ydF4y2Ba伏打电池产生一个电位差,称为电动势或EMF
- EMF也被称为细胞的潜力给出这个符号E
- 一个细胞电位的绝对值不能仅由一个细胞与另一个细胞之间的差异来确定
- 这类似于扳手腕:你不能确定一个扳手腕选手的力量,除非你把她和其他选手比较
- 伏打(或原电)电池通过自发的氧化还原反应发电
- 例如:
Zn (s) + CuSO4(aq)→Cu (s) + ZnSO4(aq)
- 电子不是直接从锌离子转移到铜离子,而是建立一个分离两种氧化还原过程的电池
- 细胞的每一部分称为a半电池
- 如果把金属棒浸入含有金属离子的溶液中,就会形成一种平衡
- 例如:
锌(s)⇌锌2 +(aq) + 2e- - - - - -
把金属浸入含有其离子的溶液中,金属和离子之间就建立了平衡
- 这是一个半电池这条金属条是电极
- 平衡的位置决定了潜在的差异金属条与金属溶液之间
- 锌棒上的锌原子可以在棒上沉积两个电子,并以锌的形式进入溶液2 +离子:
Zn(s)⇌Zn2 +(aq) + 2e- - - - - -
-
- 这个过程会导致锌棒上负电荷的积累
- 或者,Zn2 +溶液中的离子可以接受来自棒的两个电子,并移动到棒上成为Zn原子:
锌2 +(aq) + 2e- - - - - -⇌锌(s)
-
- 这个过程会导致锌棒上的正电荷积聚
- 在这两种情况下,杆和溶液之间会产生电位差
- 这就是所谓的电极电位
- 如果将铜棒浸入含铜离子(如CuSO)的溶液中,也会产生类似的电极电位4),由于以下过程:
铜2 +(aq) + 2e- - - - - -⇌Cu(s) -还原(棒变成正电)
Cu(s)⇌Cu2 +(aq) + 2e- - - - - --氧化(杆变成负极)
- 注意,化学反应并没有发生,只是在棒材和溶液之间存在电位差
创建EMF
- 如果连接两个不同的电极,两个电极之间的电位差将导致电流在它们之间流动。因此一个电动势是否建立和系统能产生电能
- 典型的电化学电池可由硫酸锌溶液中的锌电极与硫酸铜溶液中的铜电极结合而成
锌铜伏打电池(也称为丹尼尔电池)
- 电路必须通过允许离子从一个溶液流向另一个溶液来完成
- 这是通过一种方法实现的盐桥
- 这通常是一张滤纸饱和的溶液惰性电解质比如KNO3.(aq)
- 电动势可以用a测量电压表
- 电压表的电阻很高,所以不会从主电路分流太多电流
- 这两个半细胞被称为在系列因为相同的电流流过两个电池
- 两个电极以这种方式的组合被称为伏打电池,可以用来发电
细胞电位计算
- 电压表测量电池右边的电势,然后从电池左边的电势中减去电势
EMF =E正确的-E左
- 有时这很难记住,但如果你记住短语“knives & forks”(刀叉)就会有帮助。
你右手拿刀,左手拿叉。电动势是右减左
- 如果标准氢电极放在电压表的左侧,那么按照惯例E左将为零,电动势将是右边电极的电势
- 例如,如果将标准锌电极与标准氢电极连接,并将标准氢电极置于左侧,则电压表测量值为-0.76V。
锌2 +(aq) + 2e-⇌锌(s)
-
- 的锌2 +(aq) + 2e-⇌Zn(s)半电池因此具有-0.76V的电极电位
- 如果Cu2 +(aq) + 2e-⇌Cu(s)电极与标准氢电极连接,标准氢电极置于左侧,电压表读数为+0.34V
- 的铜2 +(aq) + 2e-⇌Cu(s)半电池因此具有+0.34V的电极电位。
标准电极电位
- 半反应的标准电极电势是电池的电动势,其中左手电极是标准氢电极,右手电极是所讨论的标准电极
- 方程EMF =E园艺学会-E韩可应用于电化学电池的两种方式:
- 计算一个未知的标准电极电位
- 计算单元电势
- 成为一名标准电极电势测量必须在标准条件下进行,即:
- 1.0 mol dm3离子浓度
- 100 kPa压力
- 298 K
计算一个未知的标准电极电位
- 如果指定了RHS和LHS电极,并相应地测量了电池的电动势,那么如果Eθ知道了一个电极,就可以推断出另一个电极。
- 例如,如果标准铜电极(+0.34 V)放在左边,标准银电极放在右边,则电池的电动势为+0.46 V。
- 计算银电极上的标准电极电势。
EMF =E园艺学会-E韩
+0.46 = eθAg)- (+0.34 v)
EθAg)= 0.46 + 0.34 = +0.80 v
计算单元电势
- 如果两个SEP都已知,则如果指定了右电极和左电极,则可以计算形成的电池的电动势
- 例如,如果在电池中RHS =银电极(+0.80V),而LHS是铜电极(+0.34 V),则
EMF =E园艺学会-E韩
电动势= +0.80 - 0.34 = +0.46 v
单元格的常规表示
- 由于完整地绘制每个电化学电池既麻烦又耗时,因此使用了一种符号系统,它可以完整地描述电池,但不需要绘制它。
- 电化电池可以用简写的方式表示细胞图(有时称为单元格表示或单元格表示法)
伏打电池的传统表示
- 按照惯例,负电位最大的半格写在盐桥的左边,所以Eθ细胞=Eθ正确的- - - - - -Eθ左
- 在这种情况下,Eθ细胞= +0.34 - -0.76 = +1.10 v。
- 左边的细胞被氧化,右边的细胞被还原
- 如果溶液中有一个以上的物种,并且这些物种在半方程的两边,不同的物种用逗号分隔
- 这种表示电化学电池的方法被称为传统的电池表示,它被广泛使用
- 如果半反应中的两种物质都是水,则需要一个惰性铂电极,记录在半电池图的外面
一些例子
- 对于铁(II)和铁(III)半电池反应,需要铂电极作为电子载体
- 半方程是
菲3 +(aq) + e-⇌菲2 +(aq)
- 所以电池习惯上是左手电极
Pt丨菲2 +(aq)、铁3 +(aq)
- 注意顺序必须是Fe(II)然后Fe(III)左边是一个氧化反应,所以Fe(II)通过失去一个电子被氧化成Fe(III)
- 铂电极由相边界(垂直实线)分隔,但铁(II)和铁(III)因处于同一相而由逗号分隔
- 非金属也需要铂电极
- 如果用氯作为电极,还原反应是
Cl2(g) + 2e-⇌2摄氏度l-(aq)
- 二分反应的传统表示是
Cl2(g)、2 cl-(aq) |Pt
- 注意,半细胞反应是平衡的;但是,也可以这样写
Cl2(g), Cl-(aq) |Pt
- 这是因为传统的细胞图不是定量的——它们只是材料和氧化还原过程的表示
- 大多数化学家都倾向于让它们保持平衡
- 把这两个半细胞结合在一起
Pt |菲2 +(aq)、铁3 +(q)∥Cl2(g)、2 cl-(aq) |Pt
- 正如你所看到的,整个细胞图不是定量的,因为左边是一个电子转移,右边是两个电子转移