铜锌原电池原电池相关图解

【铜锌原电池】原电池相关图解

　　原电池和电极电势
　　
　　一、原电池
　　
　　二、原电池的电动势
　　
　　三、标准电极电势
　　
　　四、电动势与摩尔吉布斯函数变的关系
　　
　　五、Nernst方程
　　
　　六、浓差电极
　　
　　七、参比电极
　　
　　一、原电池
　　
　　1、原电池的定义
　　
　　既然氧化还原反应是电子转移的反应，就有可能在一定的装置中利用氧化还原反应获得电流。
　　
　　借助于氧化还原反应将化学能转变为电能的装置，叫做原电池。
　　
　　2、原电池的组成
　　
　　负极(电子流出):Zn(S)-2e-=Zn2+(aq)氧化反应
　　
　　正极(电子流入):Cu2+(aq)+2e-=Cu(S)还原反应
　　
　　电池反应:Zn(S)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(S)
　　
　　氧化型+Ze-=还原型
　　
　　电对: Zn2+/Zn Cu2+/Cu
　　
　　3、原电池的半反应式
　　
　　(1)原电池是由两个半电池（电极）组成的，氧化还原 反应分别在两个半电池上发生
　　
　　(2)负极：给出电子的电极，发生氧化反应
　　
　　正极：得到电子的电极，发生还原反应
　　
　　(3)对自发进行的电池反应，都可以分为两个部分，一个表示氧化剂的还原，另一个表示还原剂的氧化，其中任一部分都称为原电池的半反应式。
　　
　　如铜锌原电池:锌电极为负极,铜电极为正极.
　　
　　4、氧化还原电对
　　
　　(1)每一个电极反应都有两类物质：一类可作为还原剂，称为还原态物质，如Zn Cu Ag等；另一类可作为氧化剂，称为氧化态物质，如Zn2+ Cu2+ Ag+等。
　　
　　(2)氧化态和相应的还原态物质能用来组成电对，称为氧化还原电对，并用“氧化态/还原态”表示，如Zn2+/Zn      Cu2+/Cu 等
　　
　　(3)组成半电池的氧化还原电对的种类有：
　　
　　◆ 金属及其对应金属盐溶液，Zn2+/Zn      Cu2+/Cu
　　
　　◆ 非金属单质及其对应的离子，H+/H2 Cl2/Cl-
　　
　　◆ 同一种金属不同价态的离子，Fe3+/Fe2+
　　
　　5、原电池的电池图式
　　
　　(1)原电池符号(电池图式)：
　　
　　(-)Zn│Zn2+(1.0mol·L-1)‖ Cu2+(1.0mol·L-1)│Cu(+)
　　
　　(2)书写原电池符号的规则：
　　
　　◆ 负极“-”在左边，正极“+”在右边，盐桥用“‖”表示。
　　
　　◆ 半电池中两相界面用“ ”分开，同相不同物种用“,”分开，溶液、气体要注明cB，pB 。
　　
　　◆ 纯液体、固体和气体写在惰性电极一边用“,”分开。
　　
　　(3) 例：将下列反应设计成原电池并以原电池符号表示。
　　
　　其它如:
　　
　　◆ 铜锌原电池(-)Zn│ZnSO4(c1)‖CuSO4(c2)│Cu(+)
　　
　　◆ 铜银原电池 (-)Cu│Cu-(c1)‖Ag+(c2)│Ag(+)
　　
　　◆ 铜氢原电池 (-)Pt│H2(Pθ)│H+(c1)‖Cu2+(c2)│Cu(+)
　　
　　◆ 铜与铁离子 (-)Cu│Cu2+(c1)‖Fe3+(c2),Fe2+(c3)│Pt(+)
　　
　　二、原电池的电动势
　　
　　原电池做功能力的大小可用原电池中两个电极形成的电位差来表示。原电池中由两个电极形成的电位差叫做该原电池的电动势，用E表示。
　　
　　2Ag++Zn→2Ag+Zn2+       E0= 1.5608V；
　　
　　Cu+2Ag+→Cu2+ +2Ag     E0 = 0.4571V；    通过比较可以看出，Zn 的还原性要强于Cu的还原性。
　　
　　三、标准电极电势
　　
　　1、原电池能够产生电流，说明两电极间有电势差，也就证明每个电极都有一个电势，叫电极电势。用φ(氧化态/还原态)表示，如φ(Zn2+/Zn)φ(Cu2+/Cu)
　　
　　◆电极电势的绝对值无法测定，实际应用中只需知道它们的相对值，我们人为地选择某一电极为标准，规定电极电势为零，而把其他电极与此标准电极构成的原电池的电动势，作为该电极的电极电势
　　
　　◆处于标准状态的电极电势称为标准电极电势，如标准锌电极：φ(Zn2+/Zn);标准铜电极: φ(Cu2+/Cu)
　　
　　◆国际上规定标准氢电极作为标准电极，并规定任何温度下，其电极电势为零
　　
　　Pt│H2(Pθ)│H+(1mol·l-1)
　　
　　◆ 以标准氢电极与待定电极组成的原电池的电动势的数值，就是该待定电极的电极电势；
　　
　　电极电势低于氢电极的取负值，高于氢电极的取正值，如标准锌电极
　　
　　如标准锌电极：φ(Zn2+/Zn)=-0.736V
　　
　　标准铜电极: φ(Cu2+/Cu)=0.3419V
　　
　　◆标准氢电极
　　
　　电极反应： 2H+(aq)+2e-H2(g)
　　
　　电对：H+/H2  Eθ(H+/H2 )=0.000V表示为：H+ H2(g) Pt
　　
　　2、有了标准氢电极作标准，则可求出其它电极的标准电极电势。
　　
　　①2H+ + Zn = H2 + Zn+ E0 = 0.7618V
　　
　　②Zn2+ + 2e－= Zn φ(Zn2+/Zn)＝？
　　
　　③2H+ + 2e－= H2 φθ(H+/H2 )=0.000V＝0.0000V
　　
　　①＝③－②，所以
　　
　　φ(Zn2+/Zn)＝-0.7618V
　　
　　◆对任何处于标准条件下的原电池，其电动势为
　　
　　◆任何半反应的标准电极电势可表示为
　　
　　Ox + ne– = Redφ(Ox / Red)
　　
　　◆电极电势正值越大，表示电对的氧化形物质氧化能力越强；负值越大，表示电对的还原形物质还原能力越强。
　　
　　四、电动势与摩尔吉布斯函数变的关系
　　
　　1、原电池的电动势
　　
　　原电池的电动势是构成原电池的两个电极的电极电势之差，用E表示
　　
　　当原电池处于标准状态时，此时的电动势就是标准电动势，用E?表示
　　
　　2、原电池电动势与吉布斯函数变的关系
　　
　　热力学研究表明，恒温恒压下，如果化学能全部转化为电能，而无能量损失，则
　　
　　△G=-nEF
　　
　　式中n为电池反应涉及的电荷数，F为法拉第常数96485，E单位为V，△G单位为J/mol
　　
　　当原电池处于标准状态时   △Gθ=-nEF
　　
　　例  计算由标准氢电极和标准镉电极组成的原电池的Eθ、△Gθ、Kθ，并写出电池图解、电极反应、电池反应方程。
　　
　　解：电池图解：
　　
　　电池反应：
　　
　　电极反应：正极   2H+(aq)+2e=H2(g)
　　
　　负极   Cd(s)=Cd2+(aq)+2e
　　
　　Kθ=4.3×1013
　　
　　五、Nernst方程
　　
　　1、原电池电动势的Nernst方程
　　
　　对于电池反应
　　
　　得原电池的Nernst方程
　　
　　当T=298K时，
　　
　　例 题
　　
　　已测得某铜锌原电池的电动势为1.06V，已知铜离子浓度为0.020摩尔/升，求锌离子浓度。
　　
　　解：电池反应
　　
　　由附表知
　　
　　所以锌电极为负极，铜电极为正极
　　
　　2、电极电势的Nernst方程
　　
　　原电池发生氧化还原反应后，有关离子浓度的变化会引起电极电势的变化。
　　
　　电极反应通式:
　　
　　电极电势的Nernst方程
　　
　　3、应用Nernst方程的注意事项
　　
　　（1）若电极反应式中氧化态、还原态物质前的计量数不等于1，则氧化、还原态物质的相对浓度以对应的化学计量数为指数
　　
　　（2）在原电池反应或电极反应中，若某物质是固体或液体，则不计入方程，若是气体，则用相对压力p/pΘ表示
　　
　　（3）若在电极反应中，除氧化态和还原态物质外，还有氢离子或氢氧根离子参加反应，则这些离子的浓度及其在反应式中的化学计量数也应根据反应式写在Nernst方程中
　　
　　例 题
　　
　　计算标准压力、298K、OH-浓度为0.10mol/l时，氧的电极电势。
　　
　　解：由附表知：
　　
　　n=4
　　
　　当c(OH-)=0.10mol/l时，
　　
　　4、几个结论
　　
　　（1）同一电极反应的表达式不同，对电极电势的数值并无影响
　　
　　例 计算标准压力、298K、OH-浓度为0.10mol/l时，电极反应，氧的电极电势
　　
　　若电极反应为
　　
　　（2）氧化态或还原态物质离子浓度的改变对电 极电势影响不大
　　
　　例 计算锌离子浓度为0.001摩尔/升以及1摩尔/升时锌电极的电极电势
　　
　　解：查表知
　　
　　当c(Zn2+) =0.001mol·l-1
　　
　　当c(Zn2+) =1mol·l-1
　　
　　浓度增加1000倍，电极电势增加0.0892V
　　
　　(3）介质的酸碱性对含氧酸盐的氧化性影响很大，一般在酸性介质中表现较强氧化性
　　
　　◆ 在配平方程式时，在酸性介质中，2个高锰酸钾分子可以氧化5分子的亚硫酸钾；而在碱性环境中，只能氧化1分子亚硫酸钾
　　
　　◆ 当氢离子浓度由1摩尔/升降为10-5摩尔/升时
　　
　　（4）金属离子或氢离子浓度变化对金属或氢气还原性的影响
　　
　　◆ 氧化态物质金属离子（Mn+）或氢离子的减少，使电极反应向左进行，即金属或氢气较易获得电子成为正离子进入溶液，其电极电势代数值减少，还原性增强；
　　
　　◆ 相反，若增大金属离子或氢离子浓度，则其电极电势增大，还原性减弱
　　
　　（5）非金属离子浓度变化对非金属氧化性的影响
　　
　　◆ 还原态物质非金属离子浓度减少会使电极反应向右进行，使非金属单质较易获得电子成为负离子进入溶液，使电极电势增大，非金属单质的氧化性增强；
　　
　　◆ 相反，若增大非金属离子浓度，则非金属单质的氧化性减弱。
　　
　　六、浓差电极
　　
　　◆ 从浓度对电极电势的影响可以看出，金属电极的电极电势因浓度不同而不同。由两种不同浓度的某金属离子的溶液分别与该金属所形成的两个电极，也可以组成一个原电池，叫浓差电池。
　　
　　◆ 如：取两根铜棒，分别插入盛有不同浓度硫酸铜溶液的烧杯中，并用盐桥连接，即可组成一个浓差电池。
　　
　　◆ 图为由 Ni 2+ 浓度分别为 1.00*10-3mol/dm3 和 1.00 mol/dm3 的两种溶液组成的浓差电极 。
　　
　　电池反应为：
　　
　　负极 Ni(s) →Ni2+(稀溶液) + 2e-
　　
　　正极 Ni2+(浓溶液) + 2e-→Ni(s)
　　
　　总反应 Ni2+(浓溶液)→ Ni2+(稀溶液)
　　
　　◆ 酸度计就是利用了浓差电极的原理对溶液中的氢离子浓度进行测量。
　　
　　七、参比电极
　　
　　1、甘汞电池
　　
　　◆ 表示方法Pt,Hg(l)│Hg2Cl2(S)│Cl-(2.8mol·L-1)
　　
　　电极反应Hg2Cl2(S)+2e=2Hg(l)+2Cl-(aq)
　　
　　标准甘汞电极：c(Cl-)=1.0mol·L-1
　　
　　Eθ（Hg2Cl2/Hg）=0.268V
　　
　　饱和甘汞电极：c(Cl-)=2.8mol·L-1(KCl饱和溶液)
　　
　　E(Hg2Cl2/Hg) = 0.2415V
　　
　　◆ 温度为T时电极电势
　　
　　式中F为法拉第常数，R为摩尔气体常数
　　
　　◆ T=298K时，饱和甘汞电池0.2412V
　　
　　1mol /l甘汞电池0.2801V
　　
　　0.1mol /l甘汞电池0.3337V
　　
　　2、氯化银电池
　　
　　◆ 电极反应
　　
　　◆ 温度为T时电极电势
　　
　　◆ T=298K
　　
　　当c(Cl-)=1mol/l时，电极电势为0.22233V

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