西安交大 大学化学 第五章 课后答案Word下载.docx
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将反应2KMnO4+5Na2SO3+3H2SO4=2MnSO4+5Na2SO4+K2SO4+3H2O设计成原电池。
E氧化反应;
SO32--ne-→SO42-②③电极组成:
(-)Pt|Na2SO4,Na2SO3
还原反应:
MnO4-+ne-→Mn2+(+)Pt|KMnO4,MnSO4,H2SO4
④电池符号:
(-)Pt|Na2SO4,Na2SO3‖KMnO4,MnSO4,H2SO4|Pt(+)
4.如何用符号表示一个原电池?
写出原电池:
Pt|H2|H+||Cl-|AgCl|Ag的电极反应及电池反应式。
用符号表示一个原电池的一般规则为:
E负极在左,正极在右;
②用“|”表示两相之间的相界面,用“||”表示盐桥;
③溶液应注明浓度(mol∙L-1),气体应注明分压(kPa);
④从负极开始沿着电池内部依次书写到正极。
原电池:
Pt|H2|H+||Cl-|AgCl|Ag的电极反应及电池反应如下:
负极反应:
H2-2e-→2H+
阳极反应:
AgCl+e-→Ag+Cl-
电池反应:
H2+2AgCl=2Ag+2Cl-
5.何谓电极电势?
怎样用这一概念解释原电池产生电流的原因?
电极与溶液形成双电层达到动态平衡时,金属的电势E(金属)与溶液的电势E(溶液)之差称为电极电势,以符号E(Mn+/M)表示。
E(Mn+/M)=E(金属)-E(溶液)。
Mn+/M表示组成该电极的氧化还原电对,如E(Zn2+/Zn),E(Cu2+/Cu)和E(Cl2/C1-)等。
将两个电极电势不同的电极组成原电池时,原电池的电动势E≠0,电就会从电极电势高的电极(正极)自动地流向电极电势低的电极(负极),从而产生电流。
6.什么叫标准氢电极?
是否在所有温度下,其电极电势都为零?
在298.15K时,把镀有铂黑的铂片插入含有1mol∙L-1H+的溶液中,并不断用压力为100kPa纯H2气流通过Pt片,使之吸附H2达到饱和并发生电极反应。
如此构成的氢电极叫标准氢电电极。
标准氢电极的符号记为:
H+(1mol∙L-1)|H2(100kPa)|Pt。
目前国际上将标准氢电极作为标准参比电极,将其电极电势值规定为零,即:
EӨ(H+/H2)=0.000V。
此值是在298.15K的条件下的规定值,当温度发生变化时其电极电势就不等于零。
具体数值可由能斯特公式求得,。
7.怎样测定电极的标准电极电势?
其符号和大小有何物理意义?
标准电极电势EӨ(氧化态/还原态)数值的大小表示了反应:
氧化态+ne-
还原态,在标准状态下进行的趋势,反映了电极的氧化态及还原态的氧化还原能力或倾向,即标准电极电势数值越大,氧化态得电子能力越强,是强的氧化剂;
标准电极电势数值越小,还原态失电子能力越强,是强的还原剂;
反之亦然。
标准电极电势的测定方法主要有两种:
E氢标法:
将待测标准电极与标准氢电极组成原电池,测定该原电池的电动势即标准电动势EӨ,由EӨ=EӨ(正)—EӨ(负)和EӨ(H+/H2)=0.000V可求得待测电极的标准电极电势EӨ(氧化态/还原态)的值。
例如,实验测EӨ(Zn2+/Zn)所用的标准原电池如下:
(-)Zn|ZnSO4(1mol∙L-1)||H+(1mol∙L-1)|H2(100kPa)|Pt(+)
测得的标准电动势为EӨ=0.7628V,由EӨ=EӨ(正)—EӨ(负)=EӨ(H+/H2)-EӨ(Zn2+/Zn)得:
0.7628=0.000-EӨ(Zn2+/Zn)
则得:
EӨ(Zn2+/Zn)=-0.7628(V)
②参比电极法:
标准电极电势也可用饱和甘汞电极作为参比电极来测量。
测量时将待测标准电极与饱和甘汞电极组成原电池,测定该原电池的电动势E,由E=E(正)—E(负)和E(Hg2Cl2/Hg,饱和)=0.2415V可求得待测电极的标准电极电势EӨ(氧化态/还原态)值。
8.怎样利用电极电势来决定原电池的正、负极?
计算原电池的电动势?
判断氧化还原反应的方向?
①比较两电对电极电势的代数值,电极电势代数值大的为正极,小者为负极。
②原电池的电动势由E=E(正)—E(负)求得。
③按照反应方程式书写方式,在反应物一侧找出氧化剂和还原剂,令氧化剂对应的电对作原电池的正极,还原剂对应的电对作原电池的负极,若:
E(氧化剂)>E(还原剂),则氧化还原反应从左→右自发进行;
E(氧化剂)<E(还原剂),则氧化还原反应从右→左自发进行;
E(氧化剂)=E(还原剂),则氧化还原反应达到了平衡态。
9.在电化学中EӨ有那些应用?
试分别说明之。
E判断在标准状态下氧化还原反应进行的方向;
②判断氧化还原反应进行的程度。
10.Nernst方程式中有哪些影响因素?
它与氧化态及还原态中的离子浓度、气体分压和介质的关系如何?
浓度对电极电势的影响可由Nernst方程式表示:
式中,n为电极反应中得失的电子数(摩尔);
R=8.314J∙mol-1∙K-1;
F=96500C∙mol-1(Faraday常数),
[氧化态]、[还原态]表示电极反应中氧化态及还原态物质的相对浓度(c/cӨ)或相对分压(P/pӨ),并以电极反应中对应物质的系数为指数。
从该式可以看出,影响电极电势的主要因素有氧化态、还原态物质的浓度及反应系统的温度等。
[氧化态]越大,电极电势越高;
[还原态]越大,电极电势越低;
当电极反应中有氢离子H+或氢氧根离子OH-出现时,则介质的pH值对电极电势亦有影响,pH值越大,电极电势越低。
11.查阅标准电极电势时,为什么既要注意物质的价态,又要注意物质的聚集状态和介质条件(酸碱性)。
因为物质的价态、聚集状态和介质条件(酸碱性)对电极电势都有影响,当其不同时,电极电势的值亦不同的。
12.实验室中,为了保证FeSO4溶液不变质常给溶液中加入无锈铁钉。
试从有关电对的电极电势说明理由。
EӨ(Fe3+/Fe2+)=0.771,EӨ(O2/H2O)=1.229,EӨ(Fe3+/Fe)=-0.037。
∵EӨ(O2/H2O)>EӨ(Fe3+/Fe2+),∴水溶液中的溶解氧能将Fe2+氧化成Fe3+而使FeSO4溶液变质。
又∵EӨ(Fe3+/Fe2+)>EӨ(Fe3+/Fe)∴当给溶液中加入无锈铁钉时,Fe能将Fe3+还原成Fe2+,从而保证了FeSO4溶液不变质。
13.由标准锌半电池和标准铜半电池组成原电池:
(-)Zn|ZnSO4(1mol∙L-1)||CuSO4(1mol∙L-1)|Cu(+)
(1)改变下列条件对原电池电动势有何影响?
(a)增加ZnSO4溶液的浓度;
(b)在ZnSO4溶液中加入过量的NaOH;
(c)增加铜片的电极表面积;
(d)在CuSO4溶液中加入Na2S溶液。
(2)当铜锌原电池工作半小时以后,原电池的电动势是否会发生变化?
为什么?
(1)由Nernst方程式知:
(a)增加ZnSO4溶液的浓度,E(Zn2+/Zn)增大,即E(负)增大。
又由E=E(正)—E(负),其他条件不变时,E(负)增大,使E减小。
(b)在ZnSO4溶液中加入过量的NaOH,则发生如下反应:
Zn2++4OH-=ZnO22-+2H2O,使溶液中c(Zn2+)减小,E(负)减小,使E增大。
(c)增加铜片的电极表面积,对E(Zn2+)无影响,故E保持不变。
(d)在CuSO4溶液中加入Na2S溶液,则发生如下反应:
Cu2++S2-=CuS(↓),使溶液中c(Cu2+)减小,E(正)减小,使E减小。
(2)当铜锌原电池工作半小时以后,原电池的电动势会降低。
因为随着电池反应的进行,正极电解质溶液中的c(Cu2+)减小,使E(正)减小;
同时负极电解质溶液中的c(Zn2+)增大,使使E(负)增大,这两个方面产生的结果都使原电池的电动势E减小。
14.什么叫浓差电池?
它与一般化学电池有何不同?
由不同浓度的同类电极组成的原电池称为浓差电池。
电池(—)Ag|AgNO3(0.01mol∙L-1)||AgNO3(1mol∙L-1)|Ag(+)就是一个例子。
该电池的正、负极均由Ag+/Ag电对组成,两电极的化学本性相同,只是c(Ag+)不同。
浓差电池与一般的化学电池相比有如下几点不同:
①浓差电池的正、负极均由同一电对组成,两电极的化学本性相同,只是某一物质的浓度或分压不同;
而一般的化学电池,两极由不同电对组成,两电极的化学本性就不相同;
②浓差电池的电池反应即电池过程是浓度扩散过程,而一般的化学电池的电池反应是一个氧化还原反应;
③浓差电池的标准电动势等于零,而一般的化学电池的标准电动势则等于零;
④浓差电池的电动势只与两极有关物质的浓度或分压有关;
而一般化学电池的电动势则不但与两极有关物质的浓度或分压有关,而且还与两极的标准电极电势有关;
15.原电池和电解池在结构和原理上各有何特点?
试举例说明(从电极名称、电极反应、电子流方向等方面进行比较)。
原电池是以氧化还原反应为基础将化学能转变为电能的装置,即借助原电池可将化学能转变为电能,利用化学反应产生电流;
电解池则是借助于电流通过电解质溶液产生化学反应的的装置,即借助电解池由外界对系统作电功,在电流作用下发生化学反应,将电能转变成化学能。
二者的差异如下表所示:
原电池
电解池
作用
将化学能转变为电能
将电能转化为化学能
发生氧化反应的电极名称
阳极或负极
阳极或正极
发生还原反应的电极名称
阴极或正极
阴极或负极
电子流动方向
从负极通过外电路→正极
从负极通过电解质溶液中离子定向移动→正极
16.实际分解电压为什么高于理论分解电压?
简单说明超电压(或超电势)的概念。
电解时要使电解作用进行,必须在两极间加上一适当的电压,这种使电流顺利通过电解质溶液、保证电解不断进行所需的最低外加电压,称为该电解池的实际分解电压。
分解电压之所以需要,是因为两电极上的电解产物又组成了一个原电池,该原电池的电动势与外加电压的方向相反,要使反应顺利进行,外加电压必须克服这一电动势,这就是理论分解电压。
实际上,电解时所需要的外加电压(实际分解电压)总是大于理论分解电压。
这是由于电极上和溶液中产生的一些电化学反应,使电极过程离开了平衡状态发生了电极极化。
实际分解电压与理论分解电压的差值,常称为超电压。
17.H+/H2电对的电极电势代数值往往比Zn2+/Zn电对的或Fe2+/Fe电对的要大,为什么电解锌盐或亚铁盐溶液时在阴极常常得到金属锌或金属铁?
因为气体的超电势比金属的要大,从而造成电势降低,所以电解锌盐或亚铁盐溶液时在阴极常常得到金属锌或金属铁
18.试说明用电解法精炼铜,除去粗铜中的Ag、Au、Pb、Ni、Fe、Zn等杂质的原理。
答:
电解法精炼铜时,用含杂质的铜做阳极,用纯铜薄片做阴极,以硫酸铜溶液作电解液,通以一定电压的直流电。
这时,两极发生如下反应:
在阳极Cu–2e===Cu2+
在阴极Cu2++2e===Cu
当含杂质的铜在阳极不断溶解时,位于金属活动性顺序铜以前的杂质元素如锌、铁、镍等,虽然也同时失去电子,如:
Zn–2e===Zn2+和Ni–2e===Ni2+,但它们的阳离子比Cu2+难以还原,所以它们不在阴极获得电子,只是溶解在电解液里;
而位于金属活动性顺序铜之后的银、金等金属杂质,因为给出电子的能力比铜弱,所以不在阳极失去电子,而是以金属单质的形式沉积在电解槽底,形成阳极泥。
这样,在阴极就得到了纯铜,通常叫它电解铜(纯度可达99.99%)。
把阳极泥加以处理,可以得到金银等贵重金属。
19.电镀和电铸有何异同?
电铸的基本原理和工艺过程与电镀基本相似,都是利用电解的原理使某种金属在阴极还原析出。
不同之处在于:
电镀时要求得到与基体结合牢固的金属镀层,而电铸要求与原模分离,制造或复制金属制品,其厚度远大于电镀层,电铸层和原模的结合力很弱。
20.试述电抛光的方法原理及其优缺点。
电抛光是利用电解作用进行抛光,使金属获得平滑和有光泽的金属表面。
电抛光时,以金属工件作阳极,以不溶于电解抛光液的金属作阴极,电解液静止不动,且两极间的距离较大。
电抛光过程中阳极不断被溶解,阳极附近盐的浓度不断增加,在金属表面形成一种粘性薄膜,这种薄膜的导电能力差,而使得阳极的电极电势代数值增大。
对表面凹凸不平的金属工件,电抛光时,这种粘性薄膜的厚薄分布不均匀,凸起部分薄膜层较薄,凹陷的部分薄膜层较厚,这样造成阳极表面各处的电阻不同,控制两极间电位差一定,凸起部分电阻较小,电流密度较大,凸起部分的溶解速度比凹陷部分的溶解速度大。
金属表面逐渐被整平,凸起部分的高度不断降低,使凸起处与凹陷处的溶解速率趋于接近,同时在其表面形成一层钝化膜。
电抛光的优点
(1)生产率高。
电抛光不受金属材料硬度和韧性的限制,对难以进行机械抛光的材料,如纯铝以及合金钢(特别是奥氏体铬镍钢)具有特别的意义。
(2)耐腐蚀性好,使用寿命长。
(3)无残余应力、烧伤、微断裂纹等缺陷,具有较高反射率。
(4)易于实现自动化,有利于降低成本。
电抛光的缺点:
一般电抛光表面的硬度不如机械抛光高。
电抛光受被抛光材料成分的影响很大,不同材料的表面进行电抛光时难易程度极不相同,特别是对某些各组分电极电势相差较大的合金,在电抛光时会产生选择性溶解,而不是凸起部位的溶解速率较凹陷部位的溶解速率大,因而难于得到平整光洁的表面。
电抛光受抛光面积大小的影响,抛光面积越大,阳极上的电流分布也就越不均匀,抛光效果越差。
21.什么叫电化学腐蚀?
它与化学腐蚀有何不同?
金属与腐蚀介质如氧、氯和硫化氢等作用,直接发生的腐蚀叫化学腐蚀。
温度对化学腐蚀影响很大,化学腐蚀会引起工件“脱碳”和“氢脆”。
当金属表面在介质如潮湿空气、电解质溶液中,因形成微电池而发生电化学作用而引起的腐蚀,叫电化学腐蚀,电化学腐蚀比化学腐蚀危害更大,影响因素更多。
如大气相对湿度、环境温度、空气中污染物质、介质的酸、碱性等。
22.通常大气腐蚀主要是析氢腐蚀还是吸氧腐蚀?
写出腐蚀电池的电极反应。
钢铁的电化学腐蚀可分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀,在较强酸性介质中,由于H+浓度大,钢铁以析氢腐蚀为主;
在弱酸性或中性介质中,发生的腐蚀是吸氧腐蚀。
通常情况下,由于大气中CO2的存在使水膜呈弱酸性,所以通常大气腐蚀主要是吸氧腐蚀。
析氢腐蚀:
阴极反应:
O2+2H2O+4e==4OH-;
Fe–2e==Fe2+。
吸氧腐蚀:
Fe–2e==Fe2+
23.防止金属腐蚀的方法主要有哪些?
各根据什么原理?
❶改善金属的本质
E提高金属或合金的热力学稳定性,即向原不耐蚀的金属或合金中加入热力学稳定性高的合金元素,以提高合金的电极电势,增加耐蚀性。
②加入易钝化的合金元素,如Cr、Ni、Mo等,可提高基体金属的耐蚀性。
③加入能使金属表面生成致密的腐蚀产物保护膜的合金元素,是制取耐蚀合金的又一途径。
❷形成保护层
金属的腐蚀发生在金属与周围介质的接界面上,因此,只要在金属表面形成一层保护膜,将金属表面与周围介质隔开,就能保护金属避免腐蚀。
①非金属保护膜将耐腐蚀的物质如油漆、搪瓷、陶瓷、玻璃、沥青、高分子材料(如塑料、橡胶、聚酯等)涂在要保护的金属表面。
②金属保护膜用耐蚀性较强的金属或合金覆盖在被保护的金属表面上,覆盖的重要方法是电镀。
按防腐蚀的性质可将保护层分为阳极保护层和阴极保护层。
❸改善腐蚀环境—缓蚀剂法
在腐蚀性介质中,加入少量能减小腐蚀速度的物质来防止腐蚀的方法叫做缓蚀剂法。
所加的物质叫做缓蚀剂,缓蚀剂可分为无机缓蚀剂和有机缓蚀剂两类。
①无机缓蚀剂通常在碱性介质中使用的有硝酸钠、亚硝酸钠、磷酸盐等;
在中性溶液中使用的有亚硝酸钠、铬酸盐、重铬酸盐、硅酸盐等。
无机缓蚀剂的作用主要是在金属表面形成氧化膜或难溶物质,直接阻止金属表面的金属离子进入溶液,从而延缓腐蚀。
②有机缓蚀剂在酸性介质中,通常用的有机缓蚀剂,如苯胺、硫醇胺、乌洛托品[六次甲基四胺]。
有机缓蚀剂对金属缓蚀作用的机理较复杂,最简单的一种机理认为缓蚀剂吸附在金属表面增加了氢的超电势,阻碍了H+离子的放电,因而减慢了腐蚀。
例如,胺类能和H+离子作用生成正离子。
这种正离子被带负电荷的金属表面吸收后,金属的腐蚀就受到了阻碍。
❹电化学保护法
电化学保护法有阳极电保护法和阴极保护法。
阴极保护法就是将被保护的金属作为腐蚀电池(原电池)的阴极或作为电解池的阴极而免受腐蚀。
前一种是牺牲阳极保护法,后一种是外加电流法。
E牺牲阳极保护法是将较活泼金属或其合金连接在被保护的金属上,形成原电池。
这时较活泼金属作为腐蚀电池的阳极被腐蚀,被保护的金属得到电子作为阴极而达到保护的目的
②外加电流法是将被保护金属与另一附加电极作为电解池的两个极。
被保护金属为阴极,在直流电的作用下阴极就受到保护。
这种保护法主要用于防止土壤、海水及河水中金属设备的腐蚀。
③阳极电保护法把被保护的金属接到外加电源的正极上,使被保护的金属进行阳极极化,电极电势向正的方向移动,使金属得到“钝化”而得到保护。
第5章电化学基础………习题
1.用半反应式法配平下列氧化还原反应方程式:
(1)I-+H++NO2-→NO(g)+H2O+I2(s)
(2)Al(s)+H++SO42-→Al3++SO2(g)+H2O
(3)H2S(aq)+Cr2O72-+H+→Cr3++S(s)+H2O
(4)ClO-+I2(s)+H2O→Cl-+H++IO3-
(5)Mn(OH)2(s)+H2O2→MnO2(s)+H2O
(6)Zn(s)+NO3-+H+→Zn2++NH4++H2O
(7)P(s)+NO3-+H+→H3PO4+NO(g)
(8)H2S(aq)+NO3-+H+→S(s)+NO(g)+H2O
[解]:
(1)I-+H++NO2-→NO(g)+H2O+I2(s)
写出两个半反应式并配平:
2I--2e-=I2(a)
NO2-+e-+2H+=NO(g)+H2O(b)
(a)+(b)×
2得:
2I-+4H++2NO2-=2NO(g)+2H2O+I2(s)
写成分子反应方程式:
2HI+2HNO2=2NO(g)+2H2O+I2(s)
Al-3e-=Al(a)
SO42-+2e-+4H+=SO2(g)+2H2O(b)
(a)×
2+(b)×
3得:
2Al(s)+12H++3SO42-=2Al3++3SO2(g)+6H2O
2Al(s)+6H2SO4=Al2(SO4)3+3SO2(g)+6H2O
H2S(aq)-2e-=S(s)+2H+
(a)
Cr2O72-+6e-+14H+=2Cr3++7H2O(b)
3+(b)得:
3H2S(aq)+Cr2O72-+8H+=2Cr3++3S(s)+7H2O
3H2S(aq)+K2Cr2O7+4H2SO4=Cr2(SO4)3+K2SO4+3S(s)+7H2O
写出两个半反应式:
I2(s)-10e-+6H2O=2IO3-+12H+(a)
ClO-+2e-+2H+=Cl-+H2O(b)
(a)+(b)×
5得:
5ClO-+I2(s)+H2O=5Cl-+2H++2IO3-
5NaClO+I2(s)+H2O=5NaCl+2HIO3
(5)Mn(OH)2(s)+H2O2→MnO2(s)+H2O
Mn(OH)2(s)-2e-=MnO2(s)+2H+(a)
H2O2+2e-=2OH-(b)
(a)+(b)得:
Mn(OH)2(s)+H2O2=MnO2(s)+2H2O
Zn(s)-2e-=Zn2+(a)
NO3-+8e-+10H+=NH4++3H2O(b)
(a)×
4+(b)得:
4Zn(s)+NO3-+10H+=4Zn2++NH4++3H2O
4Zn(s)+10HNO3=4Zn(NO3)2+NH4NO3+3H2O
P(s)-5e-+4H2O=H3PO4+5H+(a)
NO3-+3e-+4H+=NO(g)+2H2O(b)
3+(b)×
3P(s)+5NO3-+5H++2H2O=3H3PO4+5NO(g)
3P(s)+5HNO3+2H2O=3H3PO