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物理化学中的电化学专指研究电池的学科,电池一般可分为原电池与电解池两大类.
本文拟介绍判定电池阴、阳极的一般方法.
1. 原电池
原电池是将化学能转化为电能的装置.
设某原电池反应:aA(aq)+bB(aq)→cC(aq)+dD(aq).
化学能专指原电池提供的有效功,恒温恒压下,有效功即为原电池反应的ΔG.
电能由原电池产生,其数值为ZFE, Z为原电池反应中转移电子的物质的量;F为法拉第常数,表示单位物质的量元电荷所带电量,其值约为96500库仑/摩尔;
原电池:ΔG=-ZFE (1)
原电池电极常称正、负极.
规定电极电势大的为正极,电极电势小的为负极;原电池正极发生还原半反应,负极发生氧化半反应.
原电池的电极也称阴、阳极.
由于原电池的正极(电极电势大)发生还原半反应,原电池正极也称阴极;原电池的负极(电极电势小)发生氧化半反应,原电池负极也称阳极.
由上可知:原电池的阴、阳极是由原电池电极属性(电极电势大小或电极反应类型)决定(与外加电源无关).
2. 电解池
电解池是将外加电能转化为化学能的装置. 环境提供电能(直流电源),促使电解池反应发生.
电解池两级常称阴、阳极.
规定与外加电源正极相连的一级为电解池的阳极,也称正极,发生氧化半反应;与外加电源负极相连的一级为电解池的阴极,也称负极,发生还原半反应.
例1:以Cu2+/Cu与Zn2+/Zn作电极,通过盐桥,开关及必要导线与外加电源(直流电)相连,组成电解池. (1)直流电源正极与铜电极相连;
(2)直流电源正极与锌电极相连;
试写出两种情况电解池的反应。
解:
(1)阳极:Cu→Cu2+(aq) +2e-
阴极:Zn2+(aq)+2e-→Zn
电解池反应:Cu+Zn2+(aq)→Cu2+(aq)+Zn
此时环境提供电能(有效功),实现了非自发反应的发生.
(2)阳极:Zn→Zn2+(aq) +2e-
阴极:Cu2+(aq)+2e-→Cu
电解池反应:Zn+Cu2+(aq)→Zn2+(aq)+Cu
由上可知:电解池的阴、阳极是由外加电源决定. 靠近外加电源正极的一级称阳极,阳极一定发生氧化半反应.
3. 由电池反应书写电池图示(符号)
电池图示,专指原电池图示,电解池没有图示.
规定图示右边为原电池阴极(正极),发生还原半反应.
例2:试写出下列反应对应的电池符号,
①AgCl(s)→Ag+(αAg+)+Cl-(αCl-)
②Ag+(αAg+,2)→Ag+(αAg+,1)
解:①阴极: AgCl(s)+e-→Ag(s)+Cl-(αCl-)
阳极:Ag(s)→Ag+(αAg+)+e-
电池符号:Ag(s)│Ag+(αAg+)┃┃Cl-(αCl-)│AgCl(s)│Ag(s)
备注:由于AgCl的溶度积极小(﹤10-7),反应①为非自发反应,阴极(AgCl难溶盐电极)电极电势值小.
②阴极:Ag+(αAg+,2)+e-→Ag(s)
阳极:Ag(s)→Ag+(αAg+,1)+e-
电池符号:Ag(s)│Ag+(αAg+,1)┃┃Ag+(αAg+,2) │Ag(s)
备注:反应②本质为Ag+(aq)由高活度向低活度扩散.
4.结论
(1)原电池,电极电势大的一级称正极,也称阴极,发生还原半反应;
(2)电解池,靠近外加电源正极的一级称阳极,也称正极,发生氧化半反应.
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