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1、电化学课件绪论电化学工程绪论绪论 电化学研究对象电化学研究对象 电化学科学的应用电化学科学的应用 电化学发展历史电化学发展历史 电解质溶液电解质溶液电化学基本概念电化学基本概念电化学工程电压电压电势电势阳极阳极阴极阴极正极正极电势差电势差电位电位电流电流负极负极电解质电解质极化极化双电层双电层电化学工程电化学研究对象电化学研究对象不同的导电回路：n电子导电回路电子导电回路 Electronic Circuitn电解池电解池 Electrolytic Celln原电池原电池 Galvanic Cell 电化学工程电子导电回路电子导电回路n凡是依靠物体内部自由电子凡是依靠物体内部自由电子的定向运动
2、而导电的回路称的定向运动而导电的回路称之为之为电子导电回路电子导电回路。n载流子：载流子：自由电子自由电子 n第一类导体：第一类导体：金属、合金、金属、合金、石墨、某些金属氧化物。石墨、某些金属氧化物。电化学工程电解池回路电解池回路n电解池：电解池：由外电源提供电能，由外电源提供电能，使电流通过电极，在电极上使电流通过电极，在电极上发生电极反应的装置。发生电极反应的装置。n载流子：载流子：电子离子电子离子n两类导体导电方式的转化是两类导体导电方式的转化是通过电极上的通过电极上的氧化还原反应氧化还原反应电化学工程原电池回路原电池回路n原电池：原电池：将化学能转化为电将化学能转化为电能的装置。能的
3、装置。n载流子：载流子：电子离子电子离子n两类导体导电方式的转化是两类导体导电方式的转化是通过电极上的通过电极上的氧化还原反应氧化还原反应电化学工程阴阳极、正负极阴阳极、正负极n阳极阳极(anode):发生氧化反应（失电子反应）的电极发生氧化反应（失电子反应）的电极n阴极阴极(cathode):发生还原反应（得电子反应）的电极发生还原反应（得电子反应）的电极n正极：正极：电位较正的电极电位较正的电极n负极：负极：电位较负的电极电位较负的电极n电解池：电解池：阳极为正极，阴极为负极阳极为正极，阴极为负极n原电池：原电池：阳极为负极，阴极为正极阳极为负极，阴极为正极电化学工程两种导体两种导体 第一
4、类导体：第一类导体：凡是依靠物体内部自由电子的定凡是依靠物体内部自由电子的定向运动而导电的物体，即载流子为自由电子的向运动而导电的物体，即载流子为自由电子的导体，叫做电子导体，也称第一类导体。导体，叫做电子导体，也称第一类导体。第二类导体：第二类导体：凡是依靠物体内的离子运动而导凡是依靠物体内的离子运动而导电的导体叫做离子导体，也称第二类导体。电的导体叫做离子导体，也称第二类导体。第二类导体电解质溶液电解质溶液熔融态电解质熔融态电解质固体电解质固体电解质电化学工程两种体系两种体系n在在电电子子导导电电回回路路中中，各各部部分分都都是是第第一一类类导导体体组组成成，只只通通过过电电子子导导电电，
5、电电子子可可以以跨跨越越相相界界面面做做定定向向运运动，而动，而不发生化学变化不发生化学变化。此种回路是电工和电子学研究对象此种回路是电工和电子学研究对象n在在电电解解池池和和原原电电池池中中，两两种种导导体体串串联联，由由电电子子和和离离子子共共同同导导电电。电电荷荷的的连连续续流流动动是是靠靠两两类类导导体体（电电极极/电电解解质质）界界面面上上，电电子子和和离离子子间间的的电电荷荷转移来实现，即氧化还原反应。转移来实现，即氧化还原反应。这种体系叫做电化学体系，是电化学研究的对象这种体系叫做电化学体系，是电化学研究的对象n伴随有电荷转移的反应叫做伴随有电荷转移的反应叫做电化学反应。电化学反
6、应。电化学工程电化学科学电化学科学n研究电子导电相（金属和半导体）和离子导电研究电子导电相（金属和半导体）和离子导电相之间的的界面上发生的各种界面效应，即相之间的的界面上发生的各种界面效应，即伴伴有电现象发生的化学反应有电现象发生的化学反应的学科。的学科。研究对象：研究对象：n第一类导体：第一类导体：物理学研究范畴物理学研究范畴n第二类导体：第二类导体：电解质溶液理论，经典电化学电解质溶液理论，经典电化学n两类导体的界面及其效应：两类导体的界面及其效应：现代电化学的主要内现代电化学的主要内容。容。电化学工程电化学科学的应用电化学科学的应用 电化学科学电化学科学电化学工业电化学工业化学电源化学电
7、源金属腐蚀与防护金属腐蚀与防护一次电池一次电池燃料电池燃料电池二次电池二次电池电化学工程氯碱工业（离子膜法）氯碱工业（离子膜法）+精制饱和精制饱和NaCl稀盐水稀盐水Cl2H2NaOH溶液溶液H2O含少量含少量NaOHClCl2H+OHNa+阳离子交换膜阳离子交换膜电化学工程电解水电解水电化学工程电镀电镀电化学工程化学电源化学电源干电池干电池酸性锌锰干电池酸性锌锰干电池:负极为锌筒，正极为负极为锌筒，正极为MnO2和活性炭混合物，和活性炭混合物，电解质溶液为电解质溶液为NH4Cl和和ZnCl2水溶液，加淀粉糊凝固，水溶液，加淀粉糊凝固，电极反应为电极反应为Zn氧化和氧化和MnO2还原还原碱性锌
8、锰干电池碱性锌锰干电池:负极为汞齐化的锌粉，负极为汞齐化的锌粉，正极为正极为MnO2粉和炭粉混合物装在一个钢壳内，粉和炭粉混合物装在一个钢壳内，电解质溶液为电解质溶液为KOH水溶液水溶液Zn+2MnO2+H2O Mn2O3+Zn(OH)2Zn+2MnO2+H2O 2MnOOH+ZnO电化学工程蓄电池蓄电池铅酸蓄电池铅酸蓄电池镍镉蓄电池镍镉蓄电池银锌蓄电池银锌蓄电池Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O2NiOOH+Cd+2H2O 2Ni(OH)2+Cd(OH)2Ag2O+Zn+H2O Ag+Zn(OH)2锂电池：锂电池：质量轻，质量轻，Li/Li+标准电极电势最标准电极电势最负，
9、导电性和机械性能都很好负，导电性和机械性能都很好 以金属锂或锂合金作为负极，以金属锂或锂合金作为负极，无机物或有机材料做正极无机物或有机材料做正极 锂锂|二硫化钼，锂二硫化钼，锂|钒氧化物，钒氧化物，锂锂|二氧化锰二氧化锰电化学工程燃料电池燃料电池燃烧反应：化学能燃烧反应：化学能 热能热能 机械能机械能 电能电能 燃料电池燃料电池燃料在电池中氧化而产生电能燃料在电池中氧化而产生电能燃料和氧化剂不断补充，产物不断排出燃料和氧化剂不断补充，产物不断排出 燃料电池中的燃料和氧化剂都是由外部供给，理论上电池的电极不消耗燃料电池中的燃料和氧化剂都是由外部供给，理论上电池的电极不消耗 只要连续供给燃料和氧
10、化剂，电池就可以连续对外放电只要连续供给燃料和氧化剂，电池就可以连续对外放电 燃料电池所发生的电化学反应实质上就是燃料的燃烧反应燃料电池所发生的电化学反应实质上就是燃料的燃烧反应电化学工程质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池阳极阴极HH2 2 2H 2H+2e+2e-1/2 O1/2 O2 2+2H+2H+2e+2e-H H2 2O O电化学工程金属的腐蚀与防护金属的腐蚀与防护-ne-ne-被被氧氧化化金属腐蚀的实质金属腐蚀的实质金属原子金属原子金属阳离子金属阳离子电化学工程电化学发展史电化学发展史n17911791年伽伐尼发表了金属能使蛙腿肌肉抽缩的年伽伐尼发表了金属能使蛙腿肌肉抽缩的“动物
11、电动物电”现现象，一般认为这是电化学的起源。象，一般认为这是电化学的起源。n17991799年伏打在伽伐尼工作的基础上发明了用锌片和铜片夹年伏打在伽伐尼工作的基础上发明了用锌片和铜片夹浸了硫酸的毛呢组成的浸了硫酸的毛呢组成的“电堆电堆”，即现今所谓，即现今所谓“伏打堆伏打堆”。这。这是化学电源的雏型。是化学电源的雏型。n18341834年法拉第定律的发现为电化学奠定了定量基础；年法拉第定律的发现为电化学奠定了定量基础；n1919世纪世纪7070年代年代 Helmholtz Helmholtz 提出了双电层的概念提出了双电层的概念 ；n18891889年年 Nernst Nernst 提出电极电
12、位公式提出电极电位公式 ；n19051905年年TafelTafel提出提出TafelTafel经验公式；经验公式；n2020世纪世纪4040年代开始以电极反应动力学研究为主，形成现代年代开始以电极反应动力学研究为主，形成现代电化学的主体。电化学的主体。电化学工程电解质溶液（电解质溶液（Electrolyte）n电解质：溶于溶剂或熔化时形成离子，从而具有导电能力的物质。分类：n弱电解质与强电解质根据电离程度 n缔合式与非缔合式根据离子在溶液中存在的形态n可能电解质与真实电解质根据键合类型电化学工程离子间的相互作用离子间的相互作用 离子氛理论离子氛理论 在每一个中心离子周围存在一个球型对称的异电
13、性的离子氛，异号离子应占优势电化学工程 基本假设基本假设n在稀溶液中，强电解质是完全电离的；在稀溶液中，强电解质是完全电离的；n离子间的相互作用主要是静电引力；离子间的相互作用主要是静电引力；n离子所形成的静电场是球形对称的（离子氛），离子所形成的静电场是球形对称的（离子氛），每个离子可看成是点电荷；每个离子可看成是点电荷；n离子的静电能远小于离子的热运动能；离子的静电能远小于离子的热运动能；n溶液的介电常数约等于纯溶剂的介电常数。溶液的介电常数约等于纯溶剂的介电常数。电化学工程电解质溶液电导电解质溶液电导分类分类材质材质导电粒导电粒子子通电后的变化通电后的变化随温度的变化随温度的变化电子导体
14、电子导体金属、石墨金属、石墨电子电子除发热外无变化除发热外无变化T T，电阻，电阻;导电能力下降导电能力下降离子导体离子导体液态电解质液态电解质固态电解质固态电解质 离子离子体系组成发生变化体系组成发生变化T T，电阻，电阻 ；导电能力增强导电能力增强离子导体与电子导体的比较离子导体与电子导体的比较电化学工程电导电导n电导电导 量度导体导电能力大小的物理量，量度导体导电能力大小的物理量，其值为电阻的倒数。其值为电阻的倒数。符号为符号为G，单位为，单位为S(西门子西门子)(1S=1)。电化学工程电导率电导率(conductivity)电导率：电导率：相相距距为为1m 面面积积为为1m2的的两两个
15、个平平行行板板电电极极之之间间充充满满电电介介质质溶溶液液时时的的电电导导，即即相相当当于于单单位位体体积积电电解解质质溶溶液液所所表表现现出来的电导。出来的电导。电化学工程 影响溶液电导的主要因素影响溶液电导的主要因素n浓度对电导的影响浓度对电导的影响 几几种种电电解解质质水水溶溶液液在在293K293K时时的的电电导导率率与与浓浓度度的的关关系系见见右右图。图。电化学工程n温度对电导的影响温度对电导的影响 升高温度，离子升高温度，离子迁移速率增大，导电迁移速率增大，导电能力加强。能力加强。电化学工程离子本性对电导的影响：离子本性对电导的影响：主要是水化离子的半径。半径越大，在溶液主要是水化
16、离子的半径。半径越大，在溶液中运动速度越小。中运动速度越小。水溶液中水溶液中H+和和OH-具有特殊的迁移方式，运具有特殊的迁移方式，运动速度比一般离子要大的多。动速度比一般离子要大的多。电化学工程 当量电导（率）当量电导（率）为了简化电导率与浓度的关系，使用当量电导为了简化电导率与浓度的关系，使用当量电导定义：在相距为单位距离的两个平行电导电极之间，在相距为单位距离的两个平行电导电极之间，放置含有放置含有1 g当量电解质的溶液时，溶液所具有的电导当量电解质的溶液时，溶液所具有的电导称为当量电导，单位为称为当量电导，单位为 cm2eg-1。与与 的关系：的关系：与与 的关系：的关系：定义：定义：
17、当当趋于一个极限值趋于一个极限值0时，称为无限稀释溶液当时，称为无限稀释溶液当量电导或极限当量电导。量电导或极限当量电导。当量体积当量体积cm3/eq当量浓度当量浓度eq/dm3离子的极限当量电导离子的极限当量电导电化学工程电化学工程离子独立移动定律离子独立移动定律 当溶液无限稀释时，可以完全忽略离子间的当溶液无限稀释时，可以完全忽略离子间的相互作用，此时离子的运动是独立的，这时电解相互作用，此时离子的运动是独立的，这时电解质溶液的当量电导等于电解质全部电离后所产生质溶液的当量电导等于电解质全部电离后所产生的离子当量电导之和：的离子当量电导之和：电化学工程离子淌度离子淌度n离子淌度离子淌度：单
18、位场强（：单位场强（V/cm）下的离子迁移）下的离子迁移速度速度 n某某种种离离子子在在一一定定的的溶溶剂剂中中，当当电电位位梯梯度度为为1伏伏特特/厘厘米米时时的的迁迁移移速速率率称称为为此此种种离离子子的的淌淌度度，单单位位是是厘厘米米2秒秒-1伏伏特特-1。离离子子淌淌度度是是代代表表离离子子迁迁移速率特征的物理量移速率特征的物理量。电化学工程离子迁移数离子迁移数n离子迁移数离子迁移数：某种离子迁移的电量在溶液中各：某种离子迁移的电量在溶液中各种离子迁移的总电量中所占的百分数。种离子迁移的总电量中所占的百分数。或或电化学工程共存离子的影响共存离子的影响电解质电解质 KCl KBrKI K
19、NO3t+0.4902 0.4833 0.48840.5084电解质电解质LiCl NaCl KCl HClt 0.6711 0.6080 0.5098 0.1749共存离子对迁移数的影响共存离子对迁移数的影响 电化学工程电解质溶液的活度与活度系数电解质溶液的活度与活度系数一一.溶液中的化学等温式溶液中的化学等温式 真实溶液中由于真实溶液中由于存在粒子间的相互作用存在粒子间的相互作用，为，为保持公式形式不变，令保持公式形式不变，令 不变，引入活度代替不变，引入活度代替浓度。浓度。电化学工程n活度活度：即：即“有效浓度有效浓度”n活度系数活度系数：活度与浓度的比值，反映了粒子间：活度与浓度的比值
20、，反映了粒子间相互作用所引起的真实溶液与理想溶液的偏差。相互作用所引起的真实溶液与理想溶液的偏差。规定：规定：活度等于活度等于1的状态为标准态。对于固态、的状态为标准态。对于固态、液态物质和溶剂，这一标准态就是它们的纯物质液态物质和溶剂，这一标准态就是它们的纯物质状态，即规定纯物质的活度等于状态，即规定纯物质的活度等于1。电化学工程二二.离子活度和电解质活度离子活度和电解质活度电化学工程三三.离子强度定律离子强度定律 1921年年Lewis在研究了不同价型电解质实验在研究了不同价型电解质实验数据后总结出一个经验规律：电解质平均活度系数据后总结出一个经验规律：电解质平均活度系数数 与溶液中总离子浓度和离子电离（即离子价与溶液中总离子浓度和离子电离（即离子价数）有关，而与离子本性无关。从而提出新的参数）有关，而与离子本性无关。从而提出新的参数数离子强度离子强度I：电化学工程 在稀溶液范围内，电解质活度与离子强度之在稀溶液范围内，电解质活度与离子强度之间的关系为：间的关系为：注意注意：上式当溶液浓度小于上式当溶液浓度小于0.01moldm-3 时才有效。时才有效。思考题思考题电化学工程例题例题电化学工程电化学工程此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢