應(yīng)用電化學(xué)第一章緒論和溶液理論課件

應(yīng)用電化學(xué)講課老師：應(yīng)用電化學(xué)參考教材1.<<應(yīng)用電化學(xué)>>賈夢秋,楊文勝主編,高等教育出版社2.<<應(yīng)用電化學(xué)>>楊輝,盧文慶編,科學(xué)出版社3.<<應(yīng)用電化學(xué)>>楊綺琴等編著，中山大學(xué)出版社4.<<電化學(xué)原理>>李荻主編,北京航空航天大學(xué)出版社.5.<<應(yīng)用電化學(xué)>>H.T.庫特利雅夫采夫著,科學(xué)出版社6《電化學(xué)測試技術(shù)》劉永輝主編，北京航空航天大學(xué)出版社，應(yīng)用電化學(xué)教學(xué)安排計劃總課時32課時電化學(xué)基礎(chǔ)理論講6課時電化學(xué)應(yīng)用講26課時.應(yīng)用電化學(xué)電能

化學(xué)能電解電池電化學(xué)主要是研究電能和化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)化及轉(zhuǎn)化過程中有關(guān)規(guī)律的科學(xué)。1.1電化學(xué)的發(fā)展史應(yīng)用電化學(xué)電化學(xué)誕生于18-19世紀。1．在1791年，Galvani（伽劃尼）從事青蛙生理功能的研究時，首先偶然構(gòu)成了電化學(xué)電路。2．1799年伏特（Volta）將鋅片與銅片疊起來，中間用浸有硫酸的毛呢隔開，構(gòu)成電堆。這是世界上出現(xiàn)的第一個化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)電源。3．1800年英國的尼科爾遜和卡里斯爾采用伏打電池電解水獲得成功，這是電解水的第一次嘗試。使人們認識到可以將電用于化學(xué)研究。應(yīng)用電化學(xué)4．1807年戴維用電解法析出金屬鉀和鈉。

5.大量的生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗知識的積累推動了電化學(xué)理論工作的發(fā)展。1833年得到了法拉第定律。

6.隨后電化學(xué)理論又獲得了進一步的發(fā)展，1887年阿累尼烏斯提出了電離學(xué)說。

應(yīng)用電化學(xué)9.20世紀40年代前蘇聯(lián)科學(xué)家弗魯姆金奠定了從化學(xué)動力學(xué)角度作了大量的工作，后來英美科學(xué)家等在這方面又作了奠基性工作，推動了電化學(xué)理論的發(fā)展，開始形成以研究電極反應(yīng)速率及其影響因素為主要對象的電極過程動力學(xué)，并使之成為現(xiàn)代電化學(xué)的主體10．20世紀后半期電化學(xué)科學(xué)又有了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了量子電化學(xué)，生物電化學(xué)等分支學(xué)科。11.我們國家在電化學(xué)方面做出重要貢獻的科學(xué)家：中科院院士查全性、田昭武；中國工程院院士衣寶廉應(yīng)用電化學(xué)電化學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的進展

應(yīng)用電化學(xué)的主要任務(wù)是多方面的：其中重要的有：電化學(xué)新能源體系的開發(fā)和利用，金屬表面的精飾，電化學(xué)腐蝕與防護，電冶金，電化學(xué)傳感器的開發(fā)，有機物和無機物的電解合成，電化學(xué)控制和分析方法等

應(yīng)用電化學(xué)1.在電冶金中的應(yīng)用。電冶金是用電流制取和凈化金屬，包括電浸取和電精煉.1．比如熔融鹽電解是工業(yè)上獲取鋁、鈦、堿金屬和堿土金屬的唯一方法，高純度的銅、銀、鉛、鉍鎳及錫通過電解的方法精練出來的。2.在材料方面的應(yīng)用。電化學(xué)方法生產(chǎn)各種表層功能材料和金屬基復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。比如通過電鍍可以使產(chǎn)品獲得金屬防護層或具有特種功能的表面層。應(yīng)用電化學(xué)5.在能源方面的應(yīng)用：利用半導(dǎo)體電化學(xué)組成光電化學(xué)電池，將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。如果人們能夠?qū)?%的地球上的太陽能以1%的效率加以利用，就能夠解決地球的全部能源問題。蓄電池等。6.在金屬腐蝕與防護中的應(yīng)用。

應(yīng)用電化學(xué)．7.電化學(xué)在生物科學(xué)中的應(yīng)用。生物體內(nèi)的細胞膜起著電化學(xué)電極的作用。生物體內(nèi)的雙電層與電勢差的存在，使得通過神經(jīng)傳遞信息、電麻醉、心電圖、腦電圖等成為與電化學(xué)有關(guān)的現(xiàn)象，若能通過電化學(xué)與其他科學(xué)相結(jié)合，弄清楚動物肌體細胞生長的機理問題，必將對戰(zhàn)勝癌癥，心臟病、關(guān)節(jié)炎等疾病發(fā)揮重要作用。電化學(xué)方法可以治療癌癥。應(yīng)用電化學(xué)8.此外電化學(xué)傳感器在生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)的研究及診斷方面，也是十分有用的。電化學(xué)與生物學(xué)相結(jié)合而形成的交叉學(xué)科——生物電化學(xué)正在快速的發(fā)展。應(yīng)用電化學(xué)在未來的5-10年內(nèi)應(yīng)重點圍繞如下科學(xué)問題創(chuàng)造性地開展工作：

一移動式電源和再生式能源是當今能源發(fā)展中的重要方面

1．高性能儲氫/制氫和儲鋰新體系以及聚合物電解質(zhì)中氫離子和鋰離子的傳輸機理2．直接型燃料電池新體系和生物燃料電池；3．用輕元素及其化合物組成儲/產(chǎn)氫材料及可充電多電子過渡金屬化合物電極；4．超級電容器和氧化還原液流電池等特殊電化學(xué)儲電裝置；5．質(zhì)子膜燃料電池的成流機理和衰退機理和新型質(zhì)子膜材料；6．（公交）車用動力電池的衰退機理和循環(huán)及再生回收；7．基于光電化學(xué)原理的新光伏電池體系和電池運行新型機制。應(yīng)用電化學(xué)二發(fā)展各類材料（特別是綠色化材料）的電化學(xué)制備新方法對持續(xù)發(fā)展具有重要意義1．電化學(xué)方法制備新型環(huán)境友好和生物醫(yī)用材料；2．新型低能耗的電化學(xué)制備材料方法；3．基于電化學(xué)原理的新型微米/納米加工方法；4．基于離子液體體系的電化學(xué)新方法等；5．材料保護、防腐、循環(huán)使用(包括材料表面處理)的電化學(xué)新方法。應(yīng)用電化學(xué)三基于生命體系中廣泛存在（電解質(zhì)）水和各類電荷傳輸?shù)奶攸c，電化學(xué)在生命領(lǐng)域所扮演的重要角色將日益凸現(xiàn)

1．生物膜與仿生界面的電荷傳輸、物質(zhì)傳輸與能量轉(zhuǎn)換以及生物膜內(nèi)源性電場的實驗和理論；2．生命活動過程中的電生理現(xiàn)象（肌肉、神經(jīng)、腦等等）的電化學(xué)機制探索；3．研究生物大分子的電子傳遞機制及分子間弱相互作用的（譜學(xué)）電化學(xué)方法；4．對細胞各種行為的影響和控制的電化學(xué)方法；5．生命活動過程電活性粒子（物質(zhì)）的定向有序?qū)Ｒ坏膫鬟f、傳導(dǎo)或轉(zhuǎn)移。應(yīng)用電化學(xué)五電化學(xué)在以上學(xué)科交叉領(lǐng)域中所面臨的挑戰(zhàn)也對于電化學(xué)自身發(fā)展和解決本學(xué)科重大問題帶來難得機遇1．復(fù)雜電化學(xué)相界（如三相界、固－固、膜－液、液－液等）的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與過程；2．微米/納米尺度上的復(fù)雜（限域）電化學(xué)體系和相關(guān)過程的實驗和理論方法；3．復(fù)雜體系（凝聚相、膜、超微孔、凝膠）中的離子/電子輸運過程的理論與實驗；4．電化學(xué)方法與現(xiàn)代物理表征技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合的實驗與理論等。應(yīng)用電化學(xué)優(yōu)點：簡化產(chǎn)品生產(chǎn)工藝，降低成本，可使用廉價原料和更有效地利用原料.缺點：電能消耗大。電化學(xué)生產(chǎn)的優(yōu)點和缺點應(yīng)用電化學(xué)Faraday’sLaw⒈在電極界面上發(fā)生化學(xué)變化物質(zhì)的質(zhì)量與通入的電量成正比。⒉通電于若干個電解池串聯(lián)的線路中，當所取的基本粒子的荷電數(shù)相同時，在各個電極上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)，其物質(zhì)的量相同，析出物質(zhì)的質(zhì)量與其摩爾質(zhì)量成正比。法拉第定律應(yīng)用電化學(xué)F=L·e

法拉第常數(shù)在數(shù)值上等于1mol元電荷的電量。已知元電荷電量為=6.022×1023mol-1×1.6022×10-19C=96484.6C·mol-1≈96500C·mol-1應(yīng)用電化學(xué)荷電粒子基本單元的選取根據(jù)法拉第定律，通電于若干串聯(lián)電解池中，每個電極上析出物質(zhì)的物質(zhì)的量相同，這時，所選取的基本粒子的荷電絕對值必須相同。例如：荷一價電陰極 陽極荷三價電陰極

陽極荷二價電陰極

陽極應(yīng)用電化學(xué)荷電粒子基本單元的選取解法二⑵t同上取基本粒子荷3個基本電荷：即Au，應(yīng)用電化學(xué)法拉第定律的意義⒈是電化學(xué)上最早的定量的基本定律，揭示了通入的電量與析出物質(zhì)之間的定量關(guān)系。⒉該定律在任何溫度、任何壓力下均可以使用。⒊該定律的使用沒有什么限制條件。應(yīng)用電化學(xué)第二章電解質(zhì)溶液電化學(xué)的研究對象包括三部分：第一類導(dǎo)體；第二類導(dǎo)體；兩類導(dǎo)體的界面及其效應(yīng)。第一類導(dǎo)體己屬于物理學(xué)研究范疇，在電化學(xué)中只需引用它們所得出的結(jié)論；電解質(zhì)溶液理論則是第二類導(dǎo)體研究中的最重要的組成部分，也是經(jīng)典電化學(xué)的重要領(lǐng)域；至于兩類導(dǎo)體的界面性質(zhì)及其效應(yīng)，則是現(xiàn)代電化學(xué)的主要內(nèi)容。應(yīng)用電化學(xué)A.自由電子作定向移動而導(dǎo)電B.導(dǎo)電過程中導(dǎo)體本身不發(fā)生變化C.溫度升高，電阻也升高D.導(dǎo)電總量全部由電子承擔又稱電子導(dǎo)體，如金屬、石墨等。1.第一類導(dǎo)體應(yīng)用電化學(xué)A.正、負離子作反向移動而導(dǎo)電B.導(dǎo)電過程中有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生C.溫度升高，電阻下降D.導(dǎo)電總量分別由正、負離子分擔⒉第二類導(dǎo)體又稱離子導(dǎo)體，如電解質(zhì)溶液、熔融電解質(zhì)等。應(yīng)用電化學(xué)離子的電遷移現(xiàn)象設(shè)想在兩個惰性電極之間有想象的平面AA和BB，將溶液分為陽極部、中部及陰極部三個部分。假定未通電前，各部均含有正、負離子各5mol，分別用+、-號代替。應(yīng)用電化學(xué)離子的電遷移現(xiàn)象應(yīng)用電化學(xué)離子的電遷移現(xiàn)象設(shè)離子都是一價的，當通入4mol電子的電量時，陽極上有4mol負離子氧化，陰極上有4mol正離子還原。兩電極間正、負離子要共同承擔4mol電子電量的運輸任務(wù)?，F(xiàn)在離子都是一價的，則離子運輸電荷的數(shù)量只取決于離子遷移的速度。應(yīng)用電化學(xué)離子的電遷移現(xiàn)象1．設(shè)正、負離子遷移的速率相等， ，則導(dǎo)電任務(wù)各分擔2mol，在假想的AA、BB平面上各有2mol正、負離子逆向通過。當通電結(jié)束，陰、陽兩極部溶液濃度相同，但比原溶液各少了2mol，而中部溶液濃度不變。應(yīng)用電化學(xué)離子的電遷移現(xiàn)象應(yīng)用電化學(xué)離子的電遷移現(xiàn)象2．設(shè)正離子遷移速率是負離子的三倍， ，則正離子導(dǎo)3mol電量，負離子導(dǎo)1mol電量。在假想的AA、BB平面上有3mol正離子和1mol負離子逆向通過。通電結(jié)束，陽極部正、負離子各少了3mol，陰極部只各少了1mol，而中部溶液濃度仍保持不變。應(yīng)用電化學(xué)離子的電遷移現(xiàn)象應(yīng)用電化學(xué)離子電遷移的規(guī)律：1.向陰、陽兩極遷移的正、負離子物質(zhì)的量總和恰好等于通入溶液的總電量。如果正、負離子荷電量不等，如果電極本身也發(fā)生反應(yīng)，情況就要復(fù)雜一些。應(yīng)用電化學(xué)離子的電遷移率離子在電場中運動的速率用公式表示為：式中為電位梯度，比例系數(shù)和分別稱為正、負離子的電遷移率，又稱為離子淌度（ionicmobility），即相當于單位電位梯度時離子遷移的速率。它的單位是 。電遷移率的數(shù)值與離子本性、電位梯度、溶劑性質(zhì)、溫度等因素有關(guān)，可以用界面移動法測量。應(yīng)用電化學(xué)離子遷移數(shù)的定義把離子B所運載的電流與總電流之比稱為離子B的遷移數(shù)（transferencenumber）用符號表示。是量綱為1的量，數(shù)值上總小于1。由于正、負離子移動的速率不同，所帶的電荷不等，因此它們在遷移電量時所分擔的分數(shù)也不同。其定義式為：應(yīng)用電化學(xué)遷移數(shù)在數(shù)值上還可表示為：負離子應(yīng)有類似的表示式。如果溶液中只有一種電解質(zhì)，則：如果溶液中有多種電解質(zhì)，共有i種離子，則：離子遷移數(shù)的定義應(yīng)用電化學(xué)遷移數(shù)的測定方法例題：在Hittorf遷移管中，用Cu電極電解已知濃度的溶液。通電一定時間后，串聯(lián)在電路中的銀庫侖計陰極上有 析出。陰極部溶液質(zhì)量為 ，據(jù)分析知，在通電前其中含 ，通電后含 。試求和的離子遷移數(shù)。應(yīng)用電化學(xué)遷移數(shù)的測定方法解法1：先求的遷移數(shù)，以為基本粒子，已知：陰極上還原，使?jié)舛认陆颠w往陰極，遷移使陰極部增加，應(yīng)用電化學(xué)遷移數(shù)的測定方法解法2

先求的遷移數(shù)，以為基本粒子。陰極上不發(fā)生反應(yīng)，電解不會使陰極部離子的濃度改變。電解時遷向陽極，遷移使陰極部減少。應(yīng)用電化學(xué)遷移數(shù)的測定方法解法3：先求的遷移數(shù)，以為基本粒子。已知應(yīng)用電化學(xué)遷移數(shù)的測定方法解法4：如果分析的是陽極部的溶液，基本計算都相同，只是離子濃度變化的計算式不同。(2)陽極部先計算遷移數(shù)，陽極部不發(fā)生反應(yīng)，遷入。（1）陽極部先計算的遷移數(shù)，陽極部Cu氧化成，另外是遷出的，應(yīng)用電化學(xué)強電解質(zhì)溶液理論簡介平均活度和平均活度系數(shù)離子強度 電導(dǎo)理論應(yīng)用電化學(xué)當溶液很稀，可看作是理想溶液， ，則：平均活度和平均活度系數(shù)非電解質(zhì)化學(xué)勢表示式應(yīng)用電化學(xué)平均活度和平均活度系數(shù)電解質(zhì)化學(xué)勢的表達式強電解質(zhì)溶解后全部變成離子。為簡單起見，先考慮1-1價電解質(zhì)，如HCl，應(yīng)用電化學(xué)平均活度和平均活度系數(shù)對任意價型電解質(zhì)應(yīng)用電化學(xué)平均活度和平均活度系數(shù)定義：離子平均活度（meanactivityofions）離子平均活度系數(shù)（meanactivitycoefficientofions）離子平均質(zhì)量摩爾濃度（meanmolalityofions）應(yīng)用電化學(xué)平均活度和平均活度系數(shù)從電解質(zhì)的求對1-1價電解質(zhì)應(yīng)用電化學(xué)德拜-休克爾極限定律德拜-休克爾根據(jù)離子氛的概念，并引入若干假定，推導(dǎo)出強電解質(zhì)稀溶液中離子活度系數(shù)的計算公式，稱為德拜-休克爾極限定律。式中是i離子的電荷，是離子強度，是與溫度、溶劑有關(guān)的常數(shù)，水溶液的值有表可查。由于單個離子的活度系數(shù)無法用實驗測定來加以驗證，這個公式用處不大。應(yīng)用電化學(xué)德拜-休克爾極限定律德拜-休克爾極限定律的常用表示式：這個公式只適用于強電解質(zhì)的稀溶液、離子可以作為點電荷處理的體系。式中為離子平均活度系數(shù)，從這個公式得到的為理論計算值。用電動勢法可以測定的實驗值，用來檢驗理論計算值的適用范圍。應(yīng)用電化學(xué)德拜-休克爾極限定律對于離子半徑較大，不能作為點電荷處理的體系，德拜-休克爾極限定律公式修正為：式中為離子的平均有效直徑，約為 ，是與溫度、溶劑有關(guān)的常數(shù)，在298K的水溶液中，則應(yīng)用電化學(xué)電導(dǎo)電導(dǎo)、電導(dǎo)率摩