吉首大學(xué)物理化學(xué)課件：10-電解與極化作用

1、 物理化學(xué)電子教案第十章 第十章電解與極化作用10.1 分解電壓10.3 電解時(shí)電極上的競爭反應(yīng)10.2 極化作用10.4 金屬的電化學(xué)腐蝕、防腐與金屬的鈍化10.5 化學(xué)電源*10.6 電有機(jī)合成簡介10.1 分解電壓理論分解電壓 使某電解質(zhì)溶液能連續(xù)不斷發(fā)生電解時(shí)所必須外加的最小電壓，在數(shù)值上等于該電解池作為可逆電池時(shí)的可逆電動(dòng)勢(shì)。一、理論分解電壓二、分解電壓的測(cè)定 使用Pt電極電解HCl的水溶液，實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。 逐漸增加外加電壓，由安培計(jì)G和伏特計(jì)V分別測(cè)定線路中的電流強(qiáng)度I 和電壓E，畫出I-E曲線。在電解池中進(jìn)行的反應(yīng)是： 外加電壓很小時(shí)，幾乎無電流通過，陰、陽極上無H2 (g)

2、 和Cl2(g)放出。 隨著E的增大，電極表面產(chǎn)生少量氫氣和氯氣，但壓力低于大氣壓，無法逸出。電流I電壓E測(cè)定分解電壓時(shí)的電流-電壓曲線 所產(chǎn)生的氫氣和氯構(gòu)成了原電池，外加電壓必須克服這反電動(dòng)勢(shì)Eb，繼續(xù)增加電壓，I 有少許增加，如圖中1-2段二、分解電壓的測(cè)定 當(dāng)外壓增至2-3段，氫氣和氯氣的壓力等于大氣壓力，呈氣泡逸出，反電動(dòng)勢(shì)達(dá)極大值 Eb,max。 再增加電壓，使I 迅速增加。將直線外延至I = 0 處，得E(分解)值，這是使電解池不斷工作所必需外加的最小電壓，稱為分解電壓。電流I電壓E測(cè)定分解電壓時(shí)的電流-電壓曲線二、分解電壓的測(cè)定二、分解電壓的測(cè)定 顯然分解電壓的數(shù)值會(huì)隨著通入電流

3、強(qiáng)度的增加而增加。三、實(shí)際分解電壓 要使電解池順利地進(jìn)行連續(xù)反應(yīng)，除了克服作為原電池時(shí)的可逆電動(dòng)勢(shì)外，還要克服由于電極上反應(yīng)的不可逆，即電極極化效應(yīng)所產(chǎn)生的電位降，以及克服電池電阻所產(chǎn)生的電位降。這三者的加和就稱為實(shí)際分解電壓。 當(dāng)電極上無電流通過時(shí)，電極處于平衡狀態(tài)，這時(shí)的電極電勢(shì)分別稱為陽極可逆(平衡)電勢(shì)和陰極可逆(平衡)電勢(shì) 在有電流通過時(shí)，隨著電極上電流密度的增加，電極反應(yīng)的不可逆程度越來越大，其電勢(shì)值對(duì)可逆電勢(shì)值的偏離也越來越大。 在有電流通過電極時(shí)，電極電勢(shì)偏離可逆電勢(shì)值的現(xiàn)象稱為電極的極化。10.2 極化作用一、極化作用1、極化的原因 極化的原因：當(dāng)有電流流過電極時(shí)，在電極上發(fā)

4、生一系列的過程，并以一定的速率進(jìn)行，而每一步都或多或少地存在阻力（或勢(shì)壘），要克服這些阻力，相應(yīng)地各需要一定的推動(dòng)力，表現(xiàn)在電極電勢(shì)上就出現(xiàn)這樣那樣的偏離。 根據(jù)極化產(chǎn)生的不同原因，通常把極化大致分為三類：濃差極化、電化學(xué)極化、電阻極化。（1） 濃差極化 濃差極化是在電流通過時(shí)，由于電極反應(yīng)的反應(yīng)物或生成物遷向或遷離電極表面的緩慢，而引起電極附近溶液濃度和本體溶液濃度有差別，使電極電勢(shì)對(duì)其可逆值發(fā)生偏離。陰極：Ag+eAg， v擴(kuò) v反， ce ， c0陰極濃差極化的結(jié)果是陰極電極電勢(shì)比可逆時(shí)變小。 在濃度梯度作用下(ce c0Ag+向溶液遷移陽極： Ag Ag+e ，v擴(kuò)v反，c0 ce 濃

5、差極化是由于擴(kuò)散慢引起的，一般采取加快擴(kuò)散速度的方法可以降低濃差極化引起的超電勢(shì)，如用攪拌和升溫的方法可以減少濃差極化，但不可能完全消除濃差極化，因?yàn)殪o電作用及分子熱運(yùn)動(dòng)的影響，在電極表面始終存在雙電層。 有時(shí)人們也利用這種極化，例如極譜分析就是利用滴汞電極上的濃差極化進(jìn)行的。 濃差極化的消除（2） 電化學(xué)極化 電極反應(yīng)總是分若干步進(jìn)行，若其中一步反應(yīng)速率較慢，需要較高的活化能，為了使電極反應(yīng)順利進(jìn)行所額外施加的電壓稱為電化學(xué)超電勢(shì)（亦稱為活化超電勢(shì)），這種極化現(xiàn)象稱為電化學(xué)極化。 簡而言之，電化學(xué)極化是在電解過程中，由于電極反應(yīng)進(jìn)行緩慢，而引起的電極電勢(shì)偏離平衡電極電勢(shì)的現(xiàn)象。 （2）電化學(xué)

6、極化作為陽極：類似的，作為陽極時(shí)，會(huì)使陽極表面的電子數(shù)目小于平衡狀態(tài)的電子，導(dǎo)致電極電勢(shì)比平衡電極電勢(shì)更大。以銅電極為例：作為陰極：則由外電源輸入陰極的電子來不及消耗，即溶液中Cu2+不能馬上與電極上的電子結(jié)合，變成Cu，結(jié)果使陰極表面積累了多于平衡狀態(tài)的電子，導(dǎo)致電極電勢(shì)比平衡電極電勢(shì)更小。電極反應(yīng)進(jìn)行緩慢-+電源電解池+Cu-Cu（3） 電阻極化 電解過程中，電極表面上會(huì)生成一層氧化物的薄膜或其它物質(zhì)，從而對(duì)電流的通過產(chǎn)生阻力，稱為電阻極化。若以Re表示電極表面上的電阻，I代表通過的電流，則由于氧化膜的電阻所需額外增加的電壓，在數(shù)字上就等于I Re 。金屬鈍化時(shí)，電阻極化很明顯。但是這種情

7、況不具有普遍意義。 為了使超電勢(shì)都是正值，把陰極超電勢(shì) 和陽極超電勢(shì) 分別定義為： 陽極上由于極化使電極電勢(shì)變大，陰極上由于極化使電極電勢(shì)變小。 2、超電勢(shì) 在某一電流密度下，實(shí)際發(fā)生電解的電極電勢(shì) 與可逆電極電勢(shì) 之間的差值稱為超電勢(shì)。3、極化曲線的測(cè)定 超電勢(shì)或電極電勢(shì)與電流密度之間的關(guān)系曲線稱為極化曲線，極化曲線的形狀和變化規(guī)律反映了電化學(xué)過程的動(dòng)力學(xué)特征。測(cè)定超電勢(shì)的裝置如右圖所示：電極1為待測(cè)電極，電極2為輔助電極。甘汞電極電位差計(jì)電極1電極2A+4、極化曲線(1)電解池中兩電極的極化曲線 隨著電流密度的增大，兩電極上的超電勢(shì)也增大，陽極析出電勢(shì)變大，陰極析出電勢(shì)變小，使外加的電壓增

8、加，額外消耗了電能。4、極化曲線(2)原電池中兩電極的極化曲線 原電池中，負(fù)極是陽極，正極是陰極。隨著電流密度的增加，陽極析出電勢(shì)變大，陰極析出電勢(shì)變小。由于極化，使原電池的作功能力下降。 但可以利用這種極化降低金屬的電化腐蝕速度。（3）原電池與電解池極化的差別當(dāng)有電流通過電解池，電解池的端電壓大于平衡電池電動(dòng)勢(shì)。即：E 分解= E可逆 +陽 +陰當(dāng)有電流通過原電池，原電池的端電壓小于平衡電池電動(dòng)勢(shì)。即：E電池 = E可逆 -陽陰（1）陽極上由于極化使電極電勢(shì)變大， 陰極上由于極化使電極電勢(shì)變小。（2）對(duì)電解池，電解時(shí)電流密度愈大，分解電壓愈大，消耗的能量也愈多；對(duì)原電池，放電時(shí)電流密度愈大，

9、原電池的電動(dòng)勢(shì)愈小，所能做的電功也愈小。（3）電流密度為零時(shí)，無論是電解池還是原電池，其兩極的電極電勢(shì)差與可逆電池電動(dòng)勢(shì)相等。一、極化作用小結(jié)二、超電勢(shì)的影響因素(1) 電流密度增大，超電勢(shì)增加；(2) 與電極材料及表面性質(zhì)有關(guān)；(3) 與析出物質(zhì)有關(guān)，（析出氣體的超電勢(shì)要大于析出金屬的超電勢(shì)，一般來說，金屬在電極上析出時(shí)超電勢(shì)很小，通?？珊雎圆挥?jì)，而氣體，特別是氫氣和氧氣，超電勢(shì)值較大。）；(4) 與溫度有關(guān)，溫度升高，超電勢(shì)減小。一般，每增高1度，超電勢(shì)減小2mV ；(5) 與電解質(zhì)性質(zhì)、濃度及雜質(zhì)有關(guān)。由于影響因素很多，所以超電勢(shì)的重現(xiàn)性不好。 電解質(zhì)溶液通常用水作溶劑，在電解過程中，

10、在陰極會(huì)與金屬離子競爭還原。 利用氫在電極上的超電勢(shì)，可以使比氫活潑的金屬先在陰極析出，這在電鍍工業(yè)上是很重要的。 例如，只有控制溶液的pH，利用氫氣的析出有超電勢(shì)，才使得鍍Zn，Sn，Ni，Cr等工藝成為現(xiàn)實(shí)。三、氫超電勢(shì) 金屬在電極上析出時(shí)超電勢(shì)很小，通?？珊雎圆挥?jì)。而氣體，特別是氫氣和氧氣，超電勢(shì)值較大。 從氫氣在幾種電極上的超電勢(shì)，在石墨和汞等材料上，超電勢(shì)很大，而在金屬Pt，特別是鍍了鉑黑的鉑電極上，超電勢(shì)很小。 影響氫超電勢(shì)的因素很多，如電極材料、電極表面狀態(tài)、電流密度、溫度、電解質(zhì)的性質(zhì)、濃度及溶液中的雜質(zhì)等。1、氫在幾種電極上的超電勢(shì) 所以標(biāo)準(zhǔn)氫電極中的鉑電極要鍍上鉑黑。1、氫

11、氣在幾種電極上的超電勢(shì) 氫氣在幾種電極上的超電勢(shì)如圖所示?？梢娫谑凸炔牧仙希妱?shì)很大，而在金屬Pt，特別是鍍了鉑黑的鉑電極上，超電勢(shì)很小，所以標(biāo)準(zhǔn)氫電極中的鉑電極要鍍上鉑黑。2、Tafel 公式 早在1905年，Tafel 發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一些常見的電極反應(yīng)，超電勢(shì)與電流密度之間在一定范圍內(nèi)存在如下的定量關(guān)系： 這就稱為Tafel 公式。式中 j 是電流密度,a是單位電流密度時(shí)的超電勢(shì)值，與電極材料、表面狀態(tài)、溶液組成和溫度等因素有關(guān)，b的數(shù)值對(duì)于大多數(shù)金屬而言相差不大，在常溫下接近0.050V。所以，氫超電勢(shì)的大小主要由a決定。a越大，氫超電勢(shì)越大。j0時(shí)，j2、Tafel關(guān)系式的理論解釋

12、3、Tafel關(guān)系式的理論解釋遲緩放電理論:（3） 為決速步(適用于吸附力較弱的金屬,如Hg、Zn、Pb、Cd等大部分金屬，氫超電勢(shì)比較高)。復(fù)合理論：（4）為決速步（適用于吸附力較強(qiáng)的金屬，如Pt Pd等，氫超電勢(shì)比較低）。上述兩種理論最終都可推導(dǎo)得到Tafel關(guān)系式。（1）陽極上由于極化使電極電勢(shì)變大， 陰極上由于極化使電極電勢(shì)變小。（2）對(duì)電解池，電解時(shí)電流密度愈大，分解電壓愈大，消耗的能量也愈多；對(duì)原電池，放電時(shí)電流密度愈大，原電池的電動(dòng)勢(shì)愈小，所能做的電功也愈小。（3）電流密度為零時(shí)，無論是電解池還是原電池，其兩極的電極電勢(shì)差與可逆電池電動(dòng)勢(shì)相等。一、極化作用小結(jié)陰極上的反應(yīng) 判斷在

13、陰極上首先析出何種物質(zhì)，應(yīng)把可能發(fā)生還原物質(zhì)的電極電勢(shì)計(jì)算出來，同時(shí)考慮它的超電勢(shì)。電極電勢(shì)最大的首先在陰極析出。電解時(shí)陰極上發(fā)生還原反應(yīng)。 發(fā)生還原的物質(zhì)通常有(1)金屬離子，(2)氫離子（中性水溶液中 ）。10.3 電解時(shí)電極上的競爭反應(yīng)一、電解時(shí)陰極上的競爭反應(yīng)一、電解時(shí)陰極上的競爭反應(yīng) H2析出的超電勢(shì)較大，其析出電勢(shì)甚至小于Zn、Cd、Ni等金屬離子的析出電勢(shì)?？梢岳脷涑妱?shì)進(jìn)行電鍍、制備金屬。一、電解時(shí)陰極上的競爭反應(yīng)陽極上的反應(yīng) 判斷在陽極上首先發(fā)生什么反應(yīng)，應(yīng)把可能發(fā)生氧化物質(zhì)的電極電勢(shì)計(jì)算出來，同時(shí)要考慮它的超電勢(shì)。電極電勢(shì)最小的首先在陽極氧化。電解時(shí)陽極上發(fā)生氧化反應(yīng)。發(fā)

14、生氧化的物質(zhì)有：（2）陽極本身發(fā)生氧化（1）陰離子，如 等二、電解時(shí)陽極上的競爭反應(yīng)二、電解時(shí)電極上的競爭反應(yīng) 例：H2和O2在Ag電極上的超電勢(shì)在電流密度為0.1Acm-2時(shí)分別為0.87和0.98 V。 將兩個(gè)Ag電極，插入0.01molKg-1的NaOH溶液中電解時(shí), 問在該條件下在陽上首先發(fā)生什么反應(yīng)？解：陽極可能發(fā)生的反應(yīng)：故陽極上首先發(fā)生的是Ag電極本身氧化成Ag2O。三、分解電壓 電解水溶液時(shí)，因 或 的析出，會(huì)改變 或 的濃度，計(jì)算電極電勢(shì)時(shí)應(yīng)把這個(gè)因素考慮進(jìn)去 確定了陽極、陰極析出的物質(zhì)后，將兩者的析出電勢(shì)相減，就得到了實(shí)際分解電壓。 因?yàn)殡娊獬刂嘘枠O是正極，電極電勢(shì)較高，所

15、以用陽極析出電勢(shì)減去陰極析出電勢(shì)。 為了使分離效果較好，后一種離子反應(yīng)時(shí)，前一種離子的活度應(yīng)減少到 以下，這樣要求兩種離子的析出電勢(shì)相差一定的數(shù)值。四、金屬離子的分離 如果溶液中含有多個(gè)析出電勢(shì)不同的金屬離子，可以控制外加電壓的大小，使金屬離子分步析出而達(dá)到分離的目的。四、金屬離子的分離解:(1) 陰極產(chǎn)品：電鍍、金屬提純、保護(hù)、產(chǎn)品的美化（包括金屬、塑料）和制備 及有機(jī)物的還原產(chǎn)物等 陽極產(chǎn)品：鋁合金的氧化和著色、制備氧氣、雙氧水、氯氣以及有機(jī)物的氧化產(chǎn)物等。 常見的電解制備有氯堿工業(yè)、由丙烯腈制乙二腈、用硝基苯制苯胺等。五、電解的應(yīng)用10.4 金屬的電化學(xué)腐蝕、防腐與金屬的鈍化一、金屬腐蝕

16、的分類：（1）化學(xué)腐蝕 金屬表面與介質(zhì)如氣體或非電解質(zhì)液體等因發(fā)生化學(xué)作用而引起的腐蝕，稱為化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕作用進(jìn)行時(shí)無電流產(chǎn)生。（2）電化學(xué)腐蝕 金屬表面與介質(zhì)如潮濕空氣或電解質(zhì)溶液等，因形成微電池，金屬作為陽極發(fā)生氧化而使金屬發(fā)生腐蝕。這種由于電化學(xué)作用引起的腐蝕稱為電化學(xué)腐蝕。金屬的電化學(xué)腐蝕銅板上的鐵鉚釘為什么特別容易生銹？ 暴露在空氣中，表面被潮濕空氣或雨水浸潤，空氣中的 和海邊空氣中的NaCl溶解其中，形成電解質(zhì)溶液，這樣組成了原電池銅作陰極，鐵作陽極所以鐵很快腐蝕形成鐵銹。鐵銹的組成鐵在酸性介質(zhì)中只能氧化成二價(jià)鐵： 二價(jià)鐵被空氣中的氧氣氧化成三價(jià)鐵，三價(jià)鐵在水溶液中生成 沉淀，

17、 又可能部分失水生成 所以鐵銹是一個(gè)由 等化合物組成的疏松的混雜物質(zhì)。二、腐蝕時(shí)陰極上的反應(yīng)(1)析氫腐蝕酸性介質(zhì)中 在陰極上還原成氫氣析出。設(shè) 鐵陽極氧化，當(dāng) 時(shí)認(rèn)為已經(jīng)發(fā)生腐蝕，這時(shí)組成原電池的電動(dòng)勢(shì)為，是自發(fā)電池。 如果既有酸性介質(zhì)，又有氧氣存在，在陰極上發(fā)生消耗氧的還原反應(yīng)： 這時(shí)與 (-0.617V)陽極組成原電池的電動(dòng)勢(shì)為 。顯然耗氧腐蝕比析氫腐蝕嚴(yán)重得多。（2）耗氧腐蝕空氣中o2=0.21，則(O2|H+)=0.806V，E=1.423V。三、金屬的電化學(xué)腐蝕含雜質(zhì)的工業(yè)用鋅在稀硫酸溶液中腐蝕的示意圖 含鐵雜質(zhì)的粗鋅在稀硫酸溶液中，既有化學(xué)腐蝕，又有電化學(xué)腐蝕，要比純鋅腐蝕得更快

18、。 在金屬表面上形成濃差電池也能構(gòu)成電化學(xué)腐蝕。同一根鐵管，如有局部處于氧濃度較低處（例如裂縫處或螺紋聯(lián)接處）就能構(gòu)成濃差電池，使作為陽極的部分受到腐蝕。 金屬的電化學(xué)腐蝕，實(shí)際上是形成了許多微電池，它和原電池沒有本質(zhì)上的區(qū)別。雜質(zhì) 根據(jù)氧化還原的一般原則，在金屬發(fā)生氧化作用的同時(shí)，必然要有另一個(gè)與之相共軛的氧化劑發(fā)生還原作用。在微電池的陰極上所進(jìn)行的還原過程，在金屬腐蝕的文獻(xiàn)中常被稱為去極化作用，并把該種氧化劑稱為去極化劑，在金屬腐蝕中常遇到的去極化劑是溶液中的氫離子和溶液中溶解的氧。 腐蝕電池電動(dòng)勢(shì)的大小影響腐蝕的傾向和速度。當(dāng)兩種金屬一旦構(gòu)成為電池之后，由于有電流產(chǎn)生，電極就要發(fā)生極化，

19、而極化作用的結(jié)果會(huì)改變腐蝕電池的電動(dòng)勢(shì)，因而極化會(huì)影響腐蝕的傾向和速度。三、金屬的電化學(xué)腐蝕四、金屬的防腐（1）非金屬防腐 在金屬表面涂上油漆、搪瓷、塑料、瀝青等，將金屬與腐蝕介質(zhì)隔開。（2）金屬保護(hù)層 在需保護(hù)的金屬表面用電鍍或化學(xué)鍍的方法鍍上Au，Ag，Ni，Cr，Zn，Sn等金屬，保護(hù)內(nèi)層不被腐蝕。鍍上去的金屬比被保護(hù)的金屬有較負(fù)的電極電勢(shì)稱為陽極保護(hù)層，如鋅鍍?cè)阼F上。鍍上去的金屬比被保護(hù)的金屬有較正的電極電勢(shì)稱為陰極保護(hù)層，如錫鍍?cè)阼F上。 當(dāng)保護(hù)層不完整時(shí)，陰極保護(hù)層反而加速被保護(hù)金屬的腐蝕。四、金屬的防腐（3）電化學(xué)保護(hù) 1保護(hù)器保護(hù) 將被保護(hù)的金屬如鐵作陰極，較活潑的金屬如Zn作犧

20、牲性陽極。陽極腐蝕后定期更換。例如海上航行的船舶，在船底四周鑲嵌鋅塊。 2陰極電保護(hù) 外加電源組成一個(gè)電解池，將被保護(hù)金屬作陰極，廢金屬作陽極。在化工廠中一些裝有酸性溶液的容器或管道，水中的金屬閥門及地下的水管或輸油管常用這種方法防腐。3陽極電保護(hù) 用外電源，將被保護(hù)金屬接陽極，在一定的介質(zhì)和外電壓作用下，使陽極鈍化。例如，我國有幾十個(gè)化肥廠對(duì)碳酸銨生產(chǎn)中的碳化塔實(shí)施陽極保護(hù)。四、金屬的防腐（4）加緩蝕劑 在可能組成原電池的系統(tǒng)中加緩蝕劑，改變介質(zhì)的性質(zhì)，降低腐蝕速度。緩蝕劑種類很多，可以是無機(jī)鹽類（如硅酸鹽、正磷酸鹽、亞硝酸鹽、鉻酸鹽等），也可以是有機(jī)緩蝕劑（一般是含有N,S,O和三鍵的化合

21、物如胺類、吡啶類等）。其緩蝕機(jī)理一般是減慢陰極（或陽極）過程的速度，或者是覆蓋電極表面從而防止腐蝕。（5）制成耐蝕合金 在煉制金屬時(shí)加入其它組分，提高耐蝕能力。如在煉鋼時(shí)加入Mn，Cr等元素制成不銹鋼。五、金屬的鈍化ic 一臨界鈍化電流Ec 一鈍化電勢(shì)ip 一鈍化電流AB一活性溶解區(qū)BC一過渡鈍化區(qū)CD一穩(wěn)定鈍化區(qū)DE一過鈍化區(qū) 金屬可用強(qiáng)氧化劑（如濃硝酸）處理使之變成鈍態(tài)，也可用電化學(xué)的方法。金屬變成鈍態(tài)之后，其電極電勢(shì)向正的方向移動(dòng)，甚至可以升高到接近貴金屬（如金、鉑）的電極電勢(shì)。（3）燃料電池 又稱為連續(xù)電池，一般以天然燃料或其它可燃物質(zhì)如氫氣、甲醇、天然氣、煤氣等作為負(fù)極的反應(yīng)物質(zhì)，以

22、氧氣作為正極反應(yīng)物質(zhì)組成燃料電池。一、化學(xué)電源分類（2）二次電池 又稱為蓄電池。這種電池放電后可以充電，使活性物質(zhì)基本復(fù)原，可以重復(fù)、多次利用。如常見的鉛蓄電池和其它可充電電池等。（1）一次電池 電池中的反應(yīng)物質(zhì)進(jìn)行一次電化學(xué)反應(yīng)放電之后，就不能再次利用，如干電池。這種電池造成嚴(yán)重的材料浪費(fèi)和環(huán)境污染。10.5 化學(xué)電源化學(xué)電源性能指標(biāo)1.電池容量：指電池所能輸出的電量，一般以Ah為單位。Q=It=nzF2.電池能量密度（比能量）：指電池輸出的電能與質(zhì)量或體積之比，分別稱為質(zhì)量能量密度或體積能量密度，單位用WhKg-1或Whdm-3表示。W=-zEF(J) ,瓦特的定義是1焦耳/秒（1J/s）

23、3.電池功率密度（比功率）：電池的功率是指在一定的放電條件下，電池在單位時(shí)間所能輸出的能量。電池的單位質(zhì)量或單位體積的功率稱為電池的比功率，單位是WKg-1或Wdm-3。三、一次電池金屬封頂蓋封口紙頸圈紙金屬外殼絕緣紙筒電芯紙托底紙金屬底板（）鋅筒電解液NH4Cl ，水ZnCl2 ，淀粉 電芯 MnO2 ， C， NH4Cl ，水(+)碳電極一次電池結(jié)構(gòu)示意圖三、一次電池+堿性電池結(jié)構(gòu)堿性鋅錳電池中性電池與堿性電池的比較銨型電池 Zn2NH4Cl2MnO2Zn（NH3）2Cl22 MnOOH 鋅型電池 4Zn9H2OZnCl28MnO2 8MnOOHZnCl24 ZnO5 H2O 中性電池（-

24、）Zn|NH4Cl，ZnCl2|MnO2，C（+）堿性電池-）Zn|KOH|MnO2（+）Zn2MnO2 H2O 2MnOOH ZnO 南孚電池的聚能環(huán) 聚能環(huán)只是一個(gè)絕緣體，就是個(gè)絕緣墊圈，用于防止偶然的短路(別的導(dǎo)體搭在底部和表面金屬之間的時(shí)候)。凡是堿性電池必然有那個(gè)絕緣環(huán)，絕非南孚特有，因?yàn)閴A性電池和酸性干電池正好相反，普通酸性電池，正極在頭上一個(gè)點(diǎn)，負(fù)極是電池皮，這個(gè)大家都知道。 而堿性電池正好反過來，正極是電池皮，負(fù)極是屁股上一個(gè)帽子。所以這地方是必須要有個(gè)“聚能環(huán)”的，只是南孚的是紅色的罷了，南孚是堿性電池，在廣告里說是普通電池的六倍，就是和碳性電池比。兩種電池價(jià)格相差很多，沒可

25、比性。要是和其它牌子的堿性電池比，南孚不見得好那么多。 汞在電池中的作用 在以鋅為負(fù)極的所有電池中,汞對(duì)鋅電極性能有很大的作用,它能提高鋅的析氫過電位,陰極線性電位掃描揭示析氫電位可提高0.130.20V;它使電池的防漏性能提高,在60,相對(duì)濕度90%的條件下貯存60天,電池?zé)o漏液;汞齊在鋅粒之間起搭橋作用和去除鋅粒金屬表面上的氧化物而使鋅電極的極化阻抗降低,提高鋅電極的電性能。堿性鋅錳電池含汞低的原因 無汞鋅粉的加入電池是堿性鋅錳電池，使堿性鋅錳汞的含量為零。 在已開發(fā)的無汞鋅粉中， 普遍采用的方法是：選擇純度很高的鋅，在鋅中添加其它微量金屬元， 這些元素包括銦、鉛、鎘、鎵、鋁、鉍、鈣、鋇等

26、。添加的元素中，有的能提高鋅的析氫電位，如鉛、鎘、鉍等；有的能改變鋅的表面性能，如鋁、鈣、鋇等。銦、鉍、鋁等還能提高電池的放電容量。有些元素與鋅形成的合金在未放電狀態(tài)或放電初期幾乎與汞齊化鋅粉一樣能有效地抑制氫氣發(fā)生。低熔點(diǎn)的銦能減緩部分放電電池的析氫，因此被廣泛地用于無汞鋅粉中。四、燃料電池 又稱為連續(xù)電池以氧氣作為正極反應(yīng)物質(zhì)組成燃料電池。 一般以天然燃料或其它可燃物質(zhì)如氫氣、甲醇、天然氣、煤氣等作為負(fù)極的反應(yīng)物質(zhì)氫氧燃料電池H2 ( pH2) | H+ 或 OH- (aq) | O2 ( pO2)氧電極：O2+4H+4e - 2H2O氫電極：2H2( pH2) 4H+ + 4e - 凈反

27、應(yīng)：2H2( pH2) + O2 = 2H2O 在pH 114范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì) 1.229 V 多孔電極離子交換膜氫氧燃料電池示意圖燃料電池的優(yōu)點(diǎn)： 1.高效 化學(xué)能 熱能 機(jī)械能 化學(xué)能 電能 機(jī)械能 80% 2.環(huán)境友好 不排放有毒的酸性氧化物，CO2比熱電廠少40%， 3.重量輕，比能量高； 用于航天事業(yè)，汽車工業(yè)，應(yīng)急電源等。是21世紀(jì)首選的清潔能源。 產(chǎn)物水可利用，無噪音； 4.穩(wěn)定性好，可連續(xù)工作，可積木式組裝，可移動(dòng) 氫氧燃料電池的難點(diǎn)：氫氣的儲(chǔ)存液氫要求高壓、低溫，有危險(xiǎn)性 鋼瓶儲(chǔ)氫，可使用氫氣只占鋼瓶質(zhì)量的1%，同樣有危險(xiǎn)性研制儲(chǔ)氫金屬和其他儲(chǔ)氫材料研制用太陽能制備氫氣五、

28、二次電池五、二次電池五、二次電池鋰離子電池鋰離子電池鋰離子電池Li離子電池的優(yōu)點(diǎn)：1. 通訊，如手機(jī)；Li離子電池的用途：1. 重量輕（從金屬殼到塑料殼），能量密度大；2. 優(yōu)良、安全，有防暴閥，環(huán)境污染較??；3. 比能量高，循環(huán)壽命長；4. 電壓較高（3.6V）,成本相對(duì)較低。2. 電子器件，電腦等；3. 人造器官用電，如心臟起博器等。本章基本要求 1.了解分解電壓的意義，要使電解池不斷地進(jìn)行工作必須克服哪幾種阻力。 2.了解什么是極化現(xiàn)象，什么是超電勢(shì)？極化作用有哪幾種？如何降低極化作用？ 3.什么是極化曲線？電解池與原電池的極化曲線有哪些異同點(diǎn)？各有什么缺點(diǎn)和可利用之處？ 4.如何計(jì)算H

29、2(g)的超電勢(shì)？為什么在電解中研究H2(g)的超電勢(shì)特別多？ 5.在電解過程中，能用計(jì)算的方法判斷在兩個(gè)電極上首先發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)。了解電解的一般過程及應(yīng)用。 6.了解金屬腐蝕的類型，了解常用的防止金屬腐蝕的方法。 7.了解常見化學(xué)電源的基本原理、類型及目前的發(fā)展概況，特別是燃料電池的應(yīng)用前景。鋰電池的記憶能力很弱，本身就有控制電路，能防止飽和充電。就是說充12小時(shí)和充幾個(gè)小時(shí)是一樣的，只要充電器已經(jīng)跳燈了。正確的電池初次使用方法。其實(shí)很簡單，用到完全沒有電（自動(dòng)關(guān)機(jī)）再充電，充電過程中盡量不要同時(shí)放電（使用用電器），連續(xù)充電到充電器自動(dòng)切斷電源即可。 一般鋰離子電池的“半衰期”可達(dá)500次

30、電池壽命=（1次完全充電時(shí)間+1次完全放電時(shí)間）500。 請(qǐng)看清楚了，上面的計(jì)算公式括號(hào)里面是完全充電的周期。 不管你是否進(jìn)行完全充放電，只要你在進(jìn)行充電、放電，電池的儲(chǔ)電能力就在減弱。這是電池里的化學(xué)物質(zhì)壽命決定的，而不是簡單因?yàn)樗^“次數(shù)”。 只要不進(jìn)行完全充放電，就不會(huì)對(duì)壽命有何影響。 這個(gè)想法是錯(cuò)誤的！ 普通鋅錳電池堿性電池 鎳鎘電池小型高性能燃料電池 鋰離子電池 鎳氫電池 各種類型的電池各種形狀的電池 形形色色的電池 A CuZn 稀H2SO4KOH溶液CH4 O2 H2Oa極 b極電池的組合便于攜帶、使用簡單。 工作參數(shù)可在相當(dāng)大的范圍內(nèi)人為地改變。工作范圍廣、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。 能

31、量轉(zhuǎn)換效率高，工作時(shí)無噪音。 蓄電池可貯存能量。 減少環(huán)境污染。二、化學(xué)電源的特點(diǎn)三、化學(xué)電源在能源網(wǎng)絡(luò)中的作用 人類在各種活動(dòng)中廣泛使用各種能源。能源的生產(chǎn)與運(yùn)輸已是全球產(chǎn)值最高的產(chǎn)業(yè)。為了滿足各方面對(duì)能源的需要，能源的生產(chǎn)、分配與使用構(gòu)成了能源網(wǎng)絡(luò)。 現(xiàn)代文明主要依靠兩大能源網(wǎng)絡(luò)： 電網(wǎng)和油、氣網(wǎng)絡(luò)。 電的產(chǎn)生、傳輸與使用技術(shù)高度成熟、高效，在輸送和使用過程中一般也不產(chǎn)生污染。然而，電網(wǎng)存在下列缺點(diǎn)：1）缺乏方便、高效的儲(chǔ)電手段，不易適應(yīng)晝夜和季節(jié)變化等所引起的過于激烈的負(fù)荷變化。2）離網(wǎng)用戶主要只能利用二次電池從電網(wǎng)上取得能源，而二次電池大多重量與體積太大，其充電時(shí)間也往往太長，難以滿足

32、人們的要求。3）如果采用化石燃料（煤、油、氣等）作生產(chǎn)電能的基本能源材料，則在“源頭”上所產(chǎn)生的污染往往相當(dāng)嚴(yán)重。 油、氣的主要優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)運(yùn)方便，也可以很方便地就地轉(zhuǎn)換為熱能、電能或機(jī)械能。這些優(yōu)點(diǎn)正好補(bǔ)充了電網(wǎng)的缺點(diǎn)，因此特別適用于移動(dòng)用戶及遠(yuǎn)離電網(wǎng)的“邊遠(yuǎn)”地區(qū)。油、氣的主要缺點(diǎn)則是小規(guī)模就地轉(zhuǎn)換為電及機(jī)械能時(shí)效率較低（與大型集中發(fā)電相比），引起的污染也較嚴(yán)重。 由于上述原因，現(xiàn)代社會(huì)中能源的利用方式大致遵循下列原則： 1）固定用戶，特別是大功率用戶，除了少部分直接燃煤或油供熱或及產(chǎn)生動(dòng)力外，主要是從電網(wǎng)上直接取得能源； 2）離網(wǎng)的局部或移動(dòng)用戶，特別是大量交通器的運(yùn)行，主要直接利用油、氣作

33、能源材料； 3）由于小功率油機(jī)效率不高，引起的污染也更嚴(yán)重，小功率（例如小于100W）的移動(dòng)式電器大都利用二次化學(xué)電池（甚至一次電池）供電?；瘜W(xué)電源在能源結(jié)構(gòu)中的重要位置化學(xué)電源在能源結(jié)構(gòu)中的重要位置 從前面的討論中可以看出，電池是為了滿足“儲(chǔ)電”和“為移動(dòng)用戶提供能量”而設(shè)計(jì)和發(fā)展的；其在小功率可移動(dòng)電源領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)，已是不爭的事實(shí)。然而，由于其性能（特別是重量比能量）有一定限制，尚不能完全滿足移動(dòng)用戶的需求。比如小型二次電池性能的發(fā)展不能跟上電子器件微型化的發(fā)展，也是無可回避的事實(shí)。四、化學(xué)電源的應(yīng)用日常生活 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 通訊煤礦 交通運(yùn)輸 軍事 宇航用途廣泛的電池用于“神六”的太陽能電池

34、筆記本電腦專用電池手機(jī)專用電池?cái)z像機(jī)專用電池各式各樣的紐扣電池用途廣泛的電池用于汽車的鉛蓄電池和燃料電池使用氫氧燃料電池動(dòng)力的法國產(chǎn)標(biāo)致TAXI 一輛純電動(dòng)公交車配備10組電池箱，成本價(jià)值68萬元，重達(dá)1.8噸，電壓30V。據(jù)介紹，電動(dòng)公交車設(shè)計(jì)100公里里程，為安全考慮，一輛車跑75公里后就要換電池?！案鼡Q電池須由機(jī)器人根據(jù)電池上的紅外定位，把電池箱拖出來，15分鐘就能換好一輛車的電池”。公交車遇上塞車，電用完了怎么辦？相關(guān)負(fù)責(zé)人表示：“純電動(dòng)車有預(yù)留電量，還將在市內(nèi)建應(yīng)急充電點(diǎn)，比如說，車從大學(xué)城開到天河區(qū)，那么可能在動(dòng)物園設(shè)個(gè)應(yīng)急充電點(diǎn)?！?2010年廣州亞運(yùn)期間，廣州新投放550輛無障礙公交車、100輛無障礙出租車和140輛新能源公交車輛，其中包括26輛純電動(dòng)公交車，造價(jià)高達(dá)220萬，僅10組電池箱的成本就達(dá)68萬元，混合動(dòng)力公交車輛造價(jià)也達(dá)97萬元。 電池發(fā)明的小故事1791年他在解剖時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室將懸有去了皮的青蛙腿的銅鉤掛在鐵架臺(tái)上，發(fā)現(xiàn)蛙腿會(huì)有肌肉抽搐的現(xiàn)象。伽伏尼認(rèn)為動(dòng)物的組織會(huì)產(chǎn)生電流，而金屬是傳遞電流的導(dǎo)體。 （意大利生物學(xué)家伽伏尼）他從獨(dú)特