7.1 电化学中的基本概念及法拉第定律_物理化学（下册）（第二版）-QQ阅读男生轻小说网

书名：物理化学（下册）（第二版）
作者名：郭子成任聚杰罗青枝任杰编著
本章字数：1791字
更新时间：2021-03-31 01:48:50

7.1　电化学中的基本概念及法拉第定律

7.1.1　原电池和电解池

电能和化学能的相互转化必须借助一定的装置，这种装置称作电化学池。其中，将化学能转化成电能的装置称为原电池（如图7.1.1所示的Daniell电池），将电能转化成化学能的装置称为电解池（如图7.1.2所示）。所有的电化学池都至少由两个电极和相关的电解质溶液构成，当电化学池工作时，在外电路中通过电子流动传递电荷，而在内电路中则通过电解质溶液或熔融物中的正、负离子的相向运动来传递电荷，而在电极/溶液界面上则必须有氧化或还原反应发生，才能使离子和电子在电极和溶液间进行交换来传递电荷，这几部分总和起来使得电荷在闭合回路中得以流动。

图7.1.1　Daniell电池示意图

图7.1.2　电解池示意图

在电化学池中，电势高的一极叫正极，电势低的一极叫负极；或者根据电极上进行的化学反应来命名，把有氧化反应发生的一极叫阳极，有还原反应发生的一极叫阴极。

在原电池中，失电子能力强的物质，发生失电子的氧化反应，如Daniell电池的锌电极，ZnZn2++2e-，该电极为阳极。该电极的负电荷增多，电势变得较低，所以为负极。电子从负极流出经过外电路流入正极，在正极上，得电子能力强的物质得到电子，发生得电子的还原反应，如Daniell电池的铜电极，Cu2++2e-Cu，该电极为阴极。消耗电子的阴极负电荷减少，电势变得较高，所以为正极。在内电路中，阳离子向阴极（正极）移动，阴离子向阳极（负极）移动，这样就形成了一个电荷传递的闭合回路。

在电解池中，电子从外接电源的负极流入电解池的阴极（负极），电解质溶液中的还原能力强的物质在阴极得到这些电子被还原，在内电路中，阳离子向阴极（负极）移动，阴离子向阳极（正极）移动，在阳极上失电子能力强的物质失去电子，这样电子从电解池的阳极（正极）流出，然后流入外电源的正极，从而形成闭合回路。

7.1.2　法拉第定律

电子和离子都可以导电，通过电子导电的导体叫第一类导体，如金属、石墨等，通过离子导电的导体叫第二类导体，如电解质溶液或熔融盐等。对于第一类导体，温度升高时，内部质点的热运动（不规则运动）加剧，阻碍了电子的定向移动，导电能力下降。对于第二类导体，温度升高时，溶液的黏度降低，离子运动速度加快，导电能力升高。电化学池则是由第一类导体和第二类导体共同构建而成的，即将第一类导体作为电极放入第二类导体中而形成。当有电流流过时，在第一类和第二类导体的相界面处为了完成电荷的传递，必须发生氧化还原反应。同时，电极上发生反应的量应和流过的电量相关。最早发现这种定量关系的是英国科学家法拉第（M.Faraday）。

1833年，法拉第在研究了大量电解实验结果的基础上，总结出了一条基本定律，即法拉第定律：①电解时电极上发生反应的物质的量与通入的电量成正比；②如将几个电解池串联，通入一定的电量后，若各电解池的电极上发生反应的物质所荷电荷数相同，则它们发生反应的物质的量也都相等。

人们把1mol电子携带的电荷量称作法拉第常数，记为F。

F=Le=6.022142×1023mol-1×1.602176×10-19C=96485.31C·mol-1

在通常的计算中可取F=96500C·mol-1。

电极反应可表示为　　　　氧化态+ze-还原态

或　　　　　　　　　　　　　还原态氧化态+ze-

式中，z表示电极反应中的电子转移数，取正值，量纲为1。因为发生反应的各物质的量与反应进度成正比，流过电极的元电荷（e）的物质的量也与反应进度成正比［大学化学.1998，13（1）：22；河北科技大学学报.2006，27（3）：200］，即ξ=ΔnB/νB=Δne/z，所以当反应进度为ξ时，流过电极的电量为

Q=ξzF　　（7.1.1）

此式为法拉第定律的数学表达式。

根据法拉第定律，通过分析电极上发生反应的物质的量就可以求出流过电极的电量，据此，可以将一个电解时阴极上可析出金属的电解池串联在电路中，根据析出金属的物质的量，得到流过电路的电量，这种装置称作电量计或库仑计。对于单个带电粒子，νB=1，ΔnB=nB，所带电量为QB=nBzBF。