电化学ppt.pdf

材料电化学材料电化学 主讲 邓姝皓主讲 邓姝皓 材料材料 无机非金属材料无机非金属材料 金属材料金属材料 高分子材料高分子材料 生物材料生物材料 生 物 材 料生 物 材 料 材料目前发展趋势材料目前发展趋势 高性能化高性能化 高功能化高功能化 复合化复合化 精细化精细化 智能化智能化 纳米材料纳米材料 材料制材料制 备方法备方法 物理方法物理方法 化学方法化学方法 电化学方法电化学方法 以制备纳米材料为例以制备纳米材料为例 电化学方法电化学方法电沉积法电沉积法块体块体 物理方法物理方法高能球磨法高能球磨法粉末粉末 块体块体 化学方法化学方法溶胶 凝胶法溶胶 凝胶法粉末粉末块体块体 材料与电化学的关系材料与电化学的关系 制备材料制备材料 传统传统的材料制备和的材料制备和新型新型材料材料 制备制备 传统材料如铜 铁等金属 合金 传统材料如铜 铁等金属 合金 功功 能能 复合材料的制备复合材料的制备 新型材料如纳米叠层膜新型材料如纳米叠层膜 半导体 多孔材料 导电高分子等 半导体 多孔材料 导电高分子等 制备的改性制备的改性 耐腐蚀性 提高硬度 耐腐蚀性 提高硬度 强度 耐磨性等 强度 耐磨性等 化 学化 学 物理化学物理化学 电化学电化学 电化学电化学 环境科学环境科学 材料科学材料科学 机械工业机械工业 能源能源 电子工业电子工业 有机化工有机化工 航空航天航空航天 纳米材料科学纳米材料科学 生命科学生命科学 医药卫生医药卫生 电化学基础理论电化学基础理论 研究方法研究方法 材料制备 纳米叠层膜 纳米线 纳米材料制备 纳米叠层膜 纳米线 纳米 晶半导体 多孔材料等 晶半导体 多孔材料等 表面改性 电镀 阳极氧化等 表面改性 电镀 阳极氧化等 化学电源 1次 2次电池 燃料电池 化学电源 1次 2次电池 燃料电池 太阳能电池等 太阳能电池等 金属腐蚀与保护 略讲 金属腐蚀与保护 略讲 电催化 略讲 电催化 略讲 有机电合成 导电高聚物制备等及应用有机电合成 导电高聚物制备等及应用 第一章绪论第一章绪论 1 1电化学研究的对象1 1电化学研究的对象 1 2电化学的一些基础知识1 2电化学的一些基础知识 1 3电化学的发展简史1 3电化学的发展简史 1 4电化学的应用1 4电化学的应用 1 5学习电化学的意义1 5学习电化学的意义 1 1电化学研究的对象1 1电化学研究的对象 电化学电化学 研究电化学研究电化学平衡平衡和电化和电化 学反应学反应速度速度的科学 研究的是化学的科学 研究的是化学 能和电能相互转换的科学 能和电能相互转换的科学 电化学研究对象电化学研究对象 原电池和电解原电池和电解 池中电化学反应体系中的电化学平池中电化学反应体系中的电化学平 衡和电化学反应速度 衡和电化学反应速度 Cu2 2 Zn2 阳阳 极极 阴阴 极极 Zn Cu 原电池原电池 NaCl溶液溶液 C1 H 阴阴 极极 阳阳 极极 电解池电解池 电极 电解质溶液的变化电极 电解质溶液的变化 1 2电化学的一些基础知识1 2电化学的一些基础知识 两类导体两类导体 法拉第定律法拉第定律 A 自由电子作定向移动而导电A 自由电子作定向移动而导电 B 导电过程中导体本身不发生变化B 导电过程中导体本身不发生变化 C 温度升高 电阻也升高C 温度升高 电阻也升高 D 导电总量全部由电子承担D 导电总量全部由电子承担 又称又称电子导体电子导体 如金属 石墨等 如金属 石墨等 1 第一类导体 两类导体两类导体 A 正 负离子作反向移动而导电A 正 负离子作反向移动而导电 B 导电过程中有化学反应发生B 导电过程中有化学反应发生 C 温度升高 电阻下降C 温度升高 电阻下降 D 导电总量分别由正 负离子分担D 导电总量分别由正 负离子分担 第二类导体第二类导体又称又称离子导体离子导体 如电 如电 解质溶液 熔融电解质等 解质溶液 熔融电解质等 固体电解质 如固体电解质 如等 也属于离子导等 也属于离子导 体 但它导电的机理比较复杂 导电能力不高 本体 但它导电的机理比较复杂 导电能力不高 本 章以讨论电解质水溶液为主 章以讨论电解质水溶液为主 2 AgBrPbI 法拉第定律的文字表述法拉第定律的文字表述 FaradayFaraday s Laws Law 在电极界面上发生化学变化物质的质在电极界面上发生化学变化物质的质 量与通入的电量成正比 量与通入的电量成正比 通过相同电量时 无论生成或消耗何种通过相同电量时 无论生成或消耗何种 物质 总发生同样克当量的化学变化 物质 总发生同样克当量的化学变化 所谓所谓1克当量1克当量是指1摩尔反应物的质量除以反是指1摩尔反应物的质量除以反 应电子数 应电子数 物质物质电极反应式电极反应式反应电反应电 子数子数 1mol质1mol质 量 g量 g 1克当1克当 量 g量 g 107 88107 88 63 5463 54 2 02 0 32 032 0 7171 107 83107 83 1 771 77 1 01 0 8 08 0 35 535 5 电电 池池 反反 应应 PbSOPbSO4 4 ZnZn 羟基羟基 镍镍 氧氧 2 2 2 2 1 1 4 4 239 2239 2 65 3965 39 91 6991 69 32 032 0 119 6119 6 32 7032 70 91 6991 69 8 08 0 1 1 2 2 2 2 4 4 2 2 银银 铜铜 氢氢 氧氧 氯氯 电电 解解 反反 应应 2 2 22 2 2 22 244 22 AgeAg CueCu HeH H OOHe ClCle 2 24 42 2 2 2 22 42 2 2 2 442 PbOHSOe PbSOH O ZnOHZn OHe NiOOHH Oe Ni OHOH OHeH O 法拉第定律的数学表达式法拉第定律的数学表达式 取电子的得失数为取电子的得失数为z z 通入的电量为 通入的电量为Q Q 则电极 则电极 上发生反应的物质的量上发生反应的物质的量n n 为 为 电极上发生反应的物质的质量电极上发生反应的物质的质量m m 为 为 z M e M A e A z z z Q mnMM zF Q n zF QnzF 或或 法拉第常数法拉第常数 F L e 法拉第常数在数值上等于1 mol点电荷的电量 法拉第常数在数值上等于1 mol点电荷的电量 已知1个点电荷电量为已知1个点电荷电量为 19 1 6022 10C 6 022 1023mol 1 1 6022 10 19 C 96484 6 C mol 1 96500 C mol 1 法拉第定律的意义法拉第定律的意义 是电化学上是电化学上最早的最早的 定量定量的 的 精确精确的的 基本定律 揭示了通入的电量与析出物质基本定律 揭示了通入的电量与析出物质 之间的定量关系 之间的定量关系 该定律在任何温度 任何压力下均可该定律在任何温度 任何压力下均可 以使用 以使用 该定律的使用没有什么限制条件该定律的使用没有什么限制条件 1 3电化学发展简史1 3电化学发展简史 1791年 Galvani发现原电池 1791年 Galvani发现原电池 1799年 Volta发明了第一个化学电1799年 Volta发明了第一个化学电 源 伏特电堆 随之开始电解水源 伏特电堆 随之开始电解水 的研究 的研究 1862年 欧姆定律出现 1862年 欧姆定律出现 1833年 Farady推导出电流与化学1833年 Farady推导出电流与化学 反应的关系 第一个发现磁生电反应的关系 第一个发现磁生电 的人 的人 陶制器皿类似花瓶 高15厘米 白色中夹杂陶制器皿类似花瓶 高15厘米 白色中夹杂 一点淡黄色 边沿已经破碎 上端为口状 一点淡黄色 边沿已经破碎 上端为口状 瓶里装满了沥青 沥青之中有一个铜管 直瓶里装满了沥青 沥青之中有一个铜管 直 径2 6厘米 高9厘米 铜管顶端有一层沥青径2 6厘米 高9厘米 铜管顶端有一层沥青 绝缘体 在铜管中又有一层沥青 并有一根绝缘体 在铜管中又有一层沥青 并有一根 锈迹斑斑的铁棒 铁棒高出沥青绝缘体一厘锈迹斑斑的铁棒 铁棒高出沥青绝缘体一厘 米 由一层灰色偏黄的物质覆盖着 看上去米 由一层灰色偏黄的物质覆盖着 看上去 好象是一层铅 铁库的下端长出铜管的底座3好象是一层铅 铁库的下端长出铜管的底座3 厘米 使铁棒与铜管隔开 看上去好像是一厘米 使铁棒与铜管隔开 看上去好像是一 组化学仪器 组化学仪器 公元前248年波公元前248年波 斯王朝的电池斯王朝的电池 1853年 Helmholtz提出双电层理论 1853年 Helmholtz提出双电层理论 1887年 Arrhenius创立了电离理论 1887年 Arrhenius创立了电离理论 1889年 Nernst创立了原电池理论 1889年 Nernst创立了原电池理论 平衡电极电势 原电池热力学等 平衡电极电势 原电池热力学等 使电化学热力学理论完善 使电化学热力学理论完善 1905年 Tafel发现了电极的极化现象1905年 Tafel发现了电极的极化现象 提出氢过电位与电流密度的关系 提出氢过电位与电流密度的关系 开创了电化学动力学理论 开创了电化学动力学理论 1950年以前 以研究电化学热力学1950年以前 以研究电化学热力学 为主 1952年Frumkin发表了 电极为主 1952年Frumkin发表了 电极 过程动力学 使电化学理论进入过程动力学 使电化学理论进入 了动力学阶段 了动力学阶段 1963年 Poulaix创立了电位 pH图理1963年 Poulaix创立了电位 pH图理 论 使热力学理论推进一大步 论 使热力学理论推进一大步 20世纪60年代 进入量子理论解释20世纪60年代 进入量子理论解释 电化学过程的新时期 使电化学理电化学过程的新时期 使电化学理 论由宏观概念进入微观结构和微观论由宏观概念进入微观结构和微观 动力学阶段 动力学阶段 1 4电化学的应用1 4电化学的应用 电化学冶金电化学冶金 电解提取电解提取 电解精炼电解精炼 化学电源化学电源 电镀电镀 腐蚀与保护腐蚀与保护 电分析方法电分析方法 有机和无机的电合成有机和无机的电合成 环境保护环境保护 生物电化学生物电化学 半导体电化学半导体电化学 电解电解 精炼和冶炼有色金属和稀有金属 精炼和冶炼有色金属和稀有金属 电解法制备化工原料 电解法制备化工原料 电镀法保护和美化金属 电镀法保护和美化金属 还有氧化着色等 还有氧化着色等 镍板镍板 电镀件电镀件 含镍离子溶液含镍离子溶液 阳极氧化阳极氧化 化学 化学 汽车 宇宙飞船 照明 通讯 汽车 宇宙飞船 照明 通讯 电源电源生化和医学等方面都要用不同类生化和医学等方面都要用不同类 型的化学电源 型的化学电源 钢铁生锈 铁锈的主要钢铁生锈 铁锈的主要 成分是Fe2O3成分是Fe2O3 x xH2O H2O 铜器表面生成一层薄薄的铜器表面生成一层薄薄的 铜绿 铜绿的主要成分是铜绿 铜绿的主要成分是 CuCu2 2 OH OH 2 2COCO3 3 3 腐蚀与保护3 腐蚀与保护 4 电化学分析电化学分析 生物电化学生物电化学 电脉冲基因直接导入 电脉冲基因直接导入 电场加速作物生长 电场加速作物生长 癌症的电化学疗法 癌症的电化学疗法 电化学控制药物释放 电化学控制药物释放 生物传感器 生物传感器 生物电池生物电池 生物电池的阳极由嗜糖酶和介质组成 阴极由释生物电池的阳极由嗜糖酶和介质组成 阴极由释 氧酶和介质组成 两极都有一层玻璃纸隔离膜 氧酶和介质组成 两极都有一层玻璃纸隔离膜 阳极通过如下的酶氧化反应从糖 葡萄糖 中分阳极通过如下的酶氧化反应从糖 葡萄糖 中分 解出电子和氢离子 解出电子和氢离子 1 5电化学的任务 内1 5电化学的任务 内 容和意义容和意义 任务任务 内容内容 意义意义 任务 了解电化学的基本理论 机理和规了解电化学的基本理论 机理和规 律等律等 学习各种电化学研究方法学习各种电化学研究方法 为电池 电解等的合理使用提供理为电池 电解等的合理使用提供理 论依据论依据 内容 电化学电化学 原理原理 电解质电解质 理论理论 热力学和热力学和 动力学动力学 应用应用 电极电势 界面双电电极电势 界面双电 层等层等 电极反应速度电极反应速度 电解池电解池 电池电池 一次电池 二次电池一次电池 二次电池 燃料电池 太阳能电池燃料电池 太阳能电池 电沉积电沉积 化学镀化学镀 电解合成电解合成 电离 离子淌度 活电离 离子淌度 活 度等度等 法拉第定律与量的关系法拉第定律与量的关系 阳极氧化阳极氧化 方法方法 动电位扫描动电位扫描 循环伏安法循环伏安法 交流阻抗法 交流阻抗法 意义 现代电化学已经发展成一门交叉学科现代电化学已经发展成一门交叉学科 也是一门前景非常鲜明的学科 也是一门前景非常鲜明的学科 现代电化学在解决了能源 材料 环现代电化学在解决了能源 材料 环 境等相关的