应用电化学第一章绪论和溶液理论课件

应用电化学讲课老师：应用电化学参考教材1.<<应用电化学>>贾梦秋,杨文胜主编,高等教育出版社2.<<应用电化学>>杨辉,卢文庆编,科学出版社3.<<应用电化学>>杨绮琴等编著，中山大学出版社4.<<电化学原理>>李荻主编,北京航空航天大学出版社.5.<<应用电化学>>H.T.库特利雅夫采夫著,科学出版社6《电化学测试技术》刘永辉主编，北京航空航天大学出版社，应用电化学教学安排计划总课时32课时电化学基础理论讲6课时电化学应用讲26课时.应用电化学电能

化学能电解电池电化学主要是研究电能和化学能之间的相互转化及转化过程中有关规律的科学。1.1电化学的发展史应用电化学电化学诞生于18-19世纪。1．在1791年，Galvani（伽划尼）从事青蛙生理功能的研究时，首先偶然构成了电化学电路。2．1799年伏特（Volta）将锌片与铜片叠起来，中间用浸有硫酸的毛呢隔开，构成电堆。这是世界上出现的第一个化学能转化为电能的化学电源。3．1800年英国的尼科尔逊和卡里斯尔采用伏打电池电解水获得成功，这是电解水的第一次尝试。使人们认识到可以将电用于化学研究。应用电化学4．1807年戴维用电解法析出金属钾和钠。

5.大量的生产实践和科学实验知识的积累推动了电化学理论工作的发展。1833年得到了法拉第定律。

6.随后电化学理论又获得了进一步的发展，1887年阿累尼乌斯提出了电离学说。

应用电化学9.20世纪40年代前苏联科学家弗鲁姆金奠定了从化学动力学角度作了大量的工作，后来英美科学家等在这方面又作了奠基性工作，推动了电化学理论的发展，开始形成以研究电极反应速率及其影响因素为主要对象的电极过程动力学，并使之成为现代电化学的主体10．20世纪后半期电化学科学又有了迅速发展，出现了量子电化学，生物电化学等分支学科。11.我们国家在电化学方面做出重要贡献的科学家：中科院院士查全性、田昭武；中国工程院院士衣宝廉应用电化学电化学应用领域的进展

应用电化学的主要任务是多方面的：其中重要的有：电化学新能源体系的开发和利用，金属表面的精饰，电化学腐蚀与防护，电冶金，电化学传感器的开发，有机物和无机物的电解合成，电化学控制和分析方法等

应用电化学1.在电冶金中的应用。电冶金是用电流制取和净化金属，包括电浸取和电精炼.1．比如熔融盐电解是工业上获取铝、钛、碱金属和碱土金属的唯一方法，高纯度的铜、银、铅、铋镍及锡通过电解的方法精练出来的。2.在材料方面的应用。电化学方法生产各种表层功能材料和金属基复合结构材料。比如通过电镀可以使产品获得金属防护层或具有特种功能的表面层。应用电化学5.在能源方面的应用：利用半导体电化学组成光电化学电池，将太阳能转变为电能。如果人们能够将1%的地球上的太阳能以1%的效率加以利用，就能够解决地球的全部能源问题。蓄电池等。6.在金属腐蚀与防护中的应用。

应用电化学．7.电化学在生物科学中的应用。生物体内的细胞膜起着电化学电极的作用。生物体内的双电层与电势差的存在，使得通过神经传递信息、电麻醉、心电图、脑电图等成为与电化学有关的现象，若能通过电化学与其他科学相结合，弄清楚动物肌体细胞生长的机理问题，必将对战胜癌症，心脏病、关节炎等疾病发挥重要作用。电化学方法可以治疗癌症。应用电化学8.此外电化学传感器在生物科学与医学的研究及诊断方面，也是十分有用的。电化学与生物学相结合而形成的交叉学科——生物电化学正在快速的发展。应用电化学在未来的5-10年内应重点围绕如下科学问题创造性地开展工作：

一移动式电源和再生式能源是当今能源发展中的重要方面

1．高性能储氢/制氢和储锂新体系以及聚合物电解质中氢离子和锂离子的传输机理2．直接型燃料电池新体系和生物燃料电池；3．用轻元素及其化合物组成储/产氢材料及可充电多电子过渡金属化合物电极；4．超级电容器和氧化还原液流电池等特殊电化学储电装置；5．质子膜燃料电池的成流机理和衰退机理和新型质子膜材料；6．（公交）车用动力电池的衰退机理和循环及再生回收；7．基于光电化学原理的新光伏电池体系和电池运行新型机制。应用电化学二发展各类材料（特别是绿色化材料）的电化学制备新方法对持续发展具有重要意义1．电化学方法制备新型环境友好和生物医用材料；2．新型低能耗的电化学制备材料方法；3．基于电化学原理的新型微米/纳米加工方法；4．基于离子液体体系的电化学新方法等；5．材料保护、防腐、循环使用(包括材料表面处理)的电化学新方法。应用电化学三基于生命体系中广泛存在（电解质）水和各类电荷传输的特点，电化学在生命领域所扮演的重要角色将日益凸现

1．生物膜与仿生界面的电荷传输、物质传输与能量转换以及生物膜内源性电场的实验和理论；2．生命活动过程中的电生理现象（肌肉、神经、脑等等）的电化学机制探索；3．研究生物大分子的电子传递机制及分子间弱相互作用的（谱学）电化学方法；4．对细胞各种行为的影响和控制的电化学方法；5．生命活动过程电活性粒子（物质）的定向有序专一的传递、传导或转移。应用电化学五电化学在以上学科交叉领域中所面临的挑战也对于电化学自身发展和解决本学科重大问题带来难得机遇1．复杂电化学相界（如三相界、固－固、膜－液、液－液等）的结构、性质与过程；2．微米/纳米尺度上的复杂（限域）电化学体系和相关过程的实验和理论方法；3．复杂体系（凝聚相、膜、超微孔、凝胶）中的离子/电子输运过程的理论与实验；4．电化学方法与现代物理表征技术和生物技术相结合的实验与理论等。应用电化学优点：简化产品生产工艺，降低成本，可使用廉价原料和更有效地利用原料.缺点：电能消耗大。电化学生产的优点和缺点应用电化学Faraday’sLaw⒈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。⒉通电于若干个电解池串联的线路中，当所取的基本粒子的荷电数相同时，在各个电极上发生反应的物质，其物质的量相同，析出物质的质量与其摩尔质量成正比。法拉第定律应用电化学F=L·e

法拉第常数在数值上等于1mol元电荷的电量。已知元电荷电量为=6.022×1023mol-1×1.6022×10-19C=96484.6C·mol-1≈96500C·mol-1应用电化学荷电粒子基本单元的选取根据法拉第定律，通电于若干串联电解池中，每个电极上析出物质的物质的量相同，这时，所选取的基本粒子的荷电绝对值必须相同。例如：荷一价电阴极 阳极荷三价电阴极

阳极荷二价电阴极

阳极应用电化学荷电粒子基本单元的选取解法二⑵t同上取基本粒子荷3个基本电荷：即Au，应用电化学法拉第定律的意义⒈是电化学上最早的定量的基本定律，揭示了通入的电量与析出物质之间的定量关系。⒉该定律在任何温度、任何压力下均可以使用。⒊该定律的使用没有什么限制条件。应用电化学第二章电解质溶液电化学的研究对象包括三部分：第一类导体；第二类导体；两类导体的界面及其效应。第一类导体己属于物理学研究范畴，在电化学中只需引用它们所得出的结论；电解质溶液理论则是第二类导体研究中的最重要的组成部分，也是经典电化学的重要领域；至于两类导体的界面性质及其效应，则是现代电化学的主要内容。应用电化学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C.温度升高，电阻也升高D.导电总量全部由电子承担又称电子导体，如金属、石墨等。1.第一类导体应用电化学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C.温度升高，电阻下降D.导电总量分别由正、负离子分担⒉第二类导体又称离子导体，如电解质溶液、熔融电解质等。应用电化学离子的电迁移现象设想在两个惰性电极之间有想象的平面AA和BB，将溶液分为阳极部、中部及阴极部三个部分。假定未通电前，各部均含有正、负离子各5mol，分别用+、-号代替。应用电化学离子的电迁移现象应用电化学离子的电迁移现象设离子都是一价的，当通入4mol电子的电量时，阳极上有4mol负离子氧化，阴极上有4mol正离子还原。两电极间正、负离子要共同承担4mol电子电量的运输任务。现在离子都是一价的，则离子运输电荷的数量只取决于离子迁移的速度。应用电化学离子的电迁移现象1．设正、负离子迁移的速率相等， ，则导电任务各分担2mol，在假想的AA、BB平面上各有2mol正、负离子逆向通过。当通电结束，阴、阳两极部溶液浓度相同，但比原溶液各少了2mol，而中部溶液浓度不变。应用电化学离子的电迁移现象应用电化学离子的电迁移现象2．设正离子迁移速率是负离子的三倍， ，则正离子导3mol电量，负离子导1mol电量。在假想的AA、BB平面上有3mol正离子和1mol负离子逆向通过。通电结束，阳极部正、负离子各少了3mol，阴极部只各少了1mol，而中部溶液浓度仍保持不变。应用电化学离子的电迁移现象应用电化学离子电迁移的规律：1.向阴、阳两极迁移的正、负离子物质的量总和恰好等于通入溶液的总电量。如果正、负离子荷电量不等，如果电极本身也发生反应，情况就要复杂一些。应用电化学离子的电迁移率离子在电场中运动的速率用公式表示为：式中为电位梯度，比例系数和分别称为正、负离子的电迁移率，又称为离子淌度（ionicmobility），即相当于单位电位梯度时离子迁移的速率。它的单位是 。电迁移率的数值与离子本性、电位梯度、溶剂性质、温度等因素有关，可以用界面移动法测量。应用电化学离子迁移数的定义把离子B所运载的电流与总电流之比称为离子B的迁移数（transferencenumber）用符号表示。是量纲为1的量，数值上总小于1。由于正、负离子移动的速率不同，所带的电荷不等，因此它们在迁移电量时所分担的分数也不同。其定义式为：应用电化学迁移数在数值上还可表示为：负离子应有类似的表示式。如果溶液中只有一种电解质，则：如果溶液中有多种电解质，共有i种离子，则：离子迁移数的定义应用电化学迁移数的测定方法例题：在Hittorf迁移管中，用Cu电极电解已知浓度的溶液。通电一定时间后，串联在电路中的银库仑计阴极上有 析出。阴极部溶液质量为 ，据分析知，在通电前其中含 ，通电后含 。试求和的离子迁移数。应用电化学迁移数的测定方法解法1：先求的迁移数，以为基本粒子，已知：阴极上还原，使浓度下降迁往阴极，迁移使阴极部增加，应用电化学迁移数的测定方法解法2

先求的迁移数，以为基本粒子。阴极上不发生反应，电解不会使阴极部离子的浓度改变。电解时迁向阳极，迁移使阴极部减少。应用电化学迁移数的测定方法解法3：先求的迁移数，以为基本粒子。已知应用电化学迁移数的测定方法解法4：如果分析的是阳极部的溶液，基本计算都相同，只是离子浓度变化的计算式不同。(2)阳极部先计算迁移数，阳极部不发生反应，迁入。（1）阳极部先计算的迁移数，阳极部Cu氧化成，另外是迁出的，应用电化学强电解质溶液理论简介平均活度和平均活度系数离子强度 电导理论应用电化学当溶液很稀，可看作是理想溶液， ，则：平均活度和平均活度系数非电解质化学势表示式应用电化学平均活度和平均活度系数电解质化学势的表达式强电解质溶解后全部变成离子。为简单起见，先考虑1-1价电解质，如HCl，应用电化学平均活度和平均活度系数对任意价型电解质应用电化学平均活度和平均活度系数定义：离子平均活度（meanactivityofions）离子平均活度系数（meanactivitycoefficientofions）离子平均质量摩尔浓度（meanmolalityofions）应用电化学平均活度和平均活度系数从电解质的求对1-1价电解质应用电化学德拜-休克尔极限定律德拜-休克尔根据离子氛的概念，并引入若干假定，推导出强电解质稀溶液中离子活度系数的计算公式，称为德拜-休克尔极限定律。式中是i离子的电荷，是离子强度，是与温度、溶剂有关的常数，水溶液的值有表可查。由于单个离子的活度系数无法用实验测定来加以验证，这个公式用处不大。应用电化学德拜-休克尔极限定律德拜-休克尔极限定律的常用表示式：这个公式只适用于强电解质的稀溶液、离子可以作为点电荷处理的体系。式中为离子平均活度系数，从这个公式得到的为理论计算值。用电动势法可以测定的实验值，用来检验理论计算值的适用范围。应用电化学德拜-休克尔极限定律对于离子半径较大，不能作为点电荷处理的体系，德拜-休克尔极限定律公式修正为：式中为离子的平均有效直径，约为 ，是与温度、溶剂有关的常数，在298K的水溶液中，则应用电化学电导电导、电导率摩