北京大学：《大学化学》第4章 化学电源和绿色化学

第4章能源和绿色化学 (能源化学) Why can some batteries be recharged 6d e but others cannot? o EVEREADY Is rechargeability of a battery controlled by thermodynamics or by kinetics? Dry cell DieHard DURACELL Mercury Ni-Cad DurAcK Lead-acid Alkaline

第4章 能源和绿色化学 (能源化学)

Anode half-reaction Zn(s Zn2+(aq)+2e Cathode half-reaction Cu2+(ag)+2e- → Cu(s) Net reaction Zn(s)+Cu2+(aq)- Zn2+(aq)+Cu(s) Voltmeter v Anode w wire Cathode sAlt bridge An electrochemical cell 阳极 anode),负极,Zn,氧化, 化学电池 阴极 (cathode),正极,Cu2,还原

化学电池 阳极(anode),负极，Zn, 氧化， 阴极(cathode), 正极，Cu2+ , 还原

电极电势和 Nernst方程 水溶液中的标准电极电势( Standard potential 氢标:H+e—>1/2H,E°=0 氧化剂还原剂 Lit+e-〉LiEo=-3.03V Na++e-)NaE°=-2.71V Zn2++2e)ZnE°=-0.76V Fe2++2e>FeE°=-0.45V He-)1/2H,E=0 Cu2++2e->CuE°=0.34V Cl,+2e-)2ClE°=1.36V F2+2e—>2FE°=2.87V

水溶液中的 标准电极电势（Standard potential ） 氢标：H++ e ⎯→ 1/2H2 E=0 氧化剂 还原剂 Li++ e ⎯→ Li E= −3.03V Na++ e ⎯→ Na E= −2.71V Zn2++ 2e ⎯→ Zn E= −0.76V Fe 2++ 2e ⎯→ Fe E= −0.45V H++ e ⎯→ 1/2H2 E=0 Cu2++ 2e ⎯→ Cu E= 0.34 V Cl2+ 2e ⎯→ 2Cl− E= 1.36V F2+ 2e ⎯→ 2F − E= 2.87V 一．电极电势和Nernst 方程

电池反应: Zn+Cu2)Zn2+Cu(化学镀) E(ce)=E(正极)一E°(负极)=0.34-(-0.76)=1lV 2Fe3++Cu->2Fe2++Cu2+(烂板液) Ece)=E°(正板)-E(负板)=077-(0.34)=033

电池反应： Zn + Cu2+ ⎯→ Zn2++ Cu（化学镀） E(cell) = E(正极)－E(负极)＝ 0.34 − (−0.76) ＝ 1.1 V 2Fe3+ + Cu ⎯→2 Fe 2++ Cu2+ （烂板液） E(cell) = E(正极)－E(负极)＝ 0.77 − (0.34) ＝ 0.33 V

K与电池的电动势E的关系 △G°=nE°F(F为法拉第常数) △G°=RTnK nE F=RTInK, InK=nE FRT 2Fe3++Cu-)2Fe2++Cu2+反应的平衡常数K为: lnK=2×96500×0.33/8,314×297=25.7 K=1.5×101l 由电动势得到氧化还原反应的平衡常数K,电池的电动势越大 则K也越大,氧化还原反应进行得越彻底

K与电池的电动势E的关系 −G= nE F (F为法拉第常数） −G =RTlnK nE F =RTlnK， lnK= nE F/RT 2Fe3+ + Cu ⎯→2 Fe 2++ Cu2+ 反应的平衡常数K为： lnK = 2965000.33/8.314297= 25.7 K=1.5 1011 由电动势得到氧化还原反应的平衡常数K，电池的电动势越大， 则K也越大，氧化还原反应进行得越彻底

铁钉可以镀铜,铁钉可以镀锌吗? Fe+ Cu2+->Fe 2++ Cu E(cel)=E(正极)E°(负极)=0,34-(-0.45) =0.79V Fe+Zn 2+->Fe 2++ Zn E(ce)=E(正极)一E°(负极)=(-0.76)-(-0.45) 0.31

铁钉可以镀铜，铁钉可以镀锌吗？ Fe + Cu 2+ ⎯→ Fe 2++ Cu E(cell) = E(正极)－E(负极) ＝ 0.34 − （− 0.45) ＝ 0.79 V Fe + Zn 2+ ⎯→ Fe 2++ Zn E(cell) = E(正极)－E(负极) ＝ （− 0.76) − （− 0.45) = − 0.31

Nernst方程:浓度对电极电势E(非标准态)的影响 对于电极反应 a oxidation+ne→) b reduction a,b为mo数,n为电子数 RT,(氧化型浓度) Nernst方程为:E=E+n nF(还原型浓度 RT 或者: E=E +-In nF(red)° 例如:电极反应Fe3++e=Fe2+ RT Fe E=0.77+=1n 括号中为Fe3+和Fe2+的任意浓度 F( =0.77+ 8.314x298,(Fe) In 96500(Fe)

Nernst 方程 ：浓度对电极电势E（非标准态）的影响 对于电极反应 a oxidation + n e→ b reduction a, b为mol数，n 为电子数 a ° b a ° b RT ( ) E=E + ln nF ( ) RT (ox) E=E + ln nF (red) 氧化型浓度 还原型浓度 Nernst方程为： 或者： 例如：电极反应 Fe3+ + e =Fe2+ 3+ 2+ 3+ 2+ RT (Fe ) E=0.77+ ln F (Fe ) 8.314 298 (Fe ) =0.77+ ln 96500 (Fe )  括号中为Fe3+和Fe2+的任意浓度

电池(化学能转变为电能) 次性电池,可充电电池,可逆电池 放电一原电池 充电一电解 一次性电池 1.酸性锌锰电池(普通干电池) 正极:石墨棒,MnO2,炭 负极:Zn,ZnCl2,NHC,Zn—>Zn2+2e 电池反应: 2 NH4(aq)+2MnO2(s)+2e-Mn2O3(S+H,O()+2NH3(ag 生成的NH3与Zn2生成配离子

一次性电池,可充电电池，可逆电池 放电－原电池 充电－电解 一次性电池 1． 酸性锌锰电池（普通干电池） 正极：石墨棒，MnO2 ,炭 负极：Zn, ZnCl2 , NH4Cl, Zn ⎯→ Zn2++2e 电池反应： 2 NH4 + (aq)+2MnO2 (s)+2e ⎯→ Mn2O3 (s)+H2O(l)+2NH3 (aq) 生成的NH3与Zn2+生成配离子 二． 电池 （化学能转变为电能）

Common Dry Cell Anode reaction Zn(s)-→Zn2+(aq)+2e Cathode reaction 2 NH4*(aq)+2- 2 NH3(g)+ H2(g) Related reactions 2 MnO2(s)+H2( g)-Mn2O s)+H2o(e) Zn2+(aq)+2 NH3(g)+2 C1"(aq)- Zn(NH3)2Cl2(s) Net reactio 2 MnO2(s)+2 NH4C1(s)+Zn(s)-Mn2O3(s)+H2O(e)+Zn(NH3)2Cl2(s) E=+1.5V Positive terminal Zinc shell (anode) Sand Cushion Carbon conductor. >(cathode) NHC ZnCI2 electrolyte paste Porous separator Negative terminal 普通干电池的结构和化学反应

普通干电池的结构和化学反应

碱性锌锰电池 电解液为KOH 负极反应:Zm(+2OHr(aq)>Zn(OH2(s)+2e 正极反应:2MnO4s)+H2O(+2eMn2O3S)+20H(aq) 电池反应: Zn(s)+2MnO2(S)+H2O0-> Mn2O3(s)+ Zn(OH)2(s)

碱性锌锰电池 电解液为KOH 负极反应：Zn(s)+2OH− (aq)⎯→Zn(OH)2 (s)+2e 正极反应：2MnO2 (s)+H2O(l)+2e⎯→Mn2O3 (s)+2OH− (aq) 电池反应： Zn(s)＋2MnO2 (s) +H2O(l) ⎯→ Mn2O3 (s)+ Zn(OH)2 (s)