《生活化学科课堂｜发现身边的电化学常识知识》

1课程核心基础概念的生活化界定演讲人01.02.03.04.05.目录课程核心基础概念的生活化界定日常生活中常见的电化学应用场景生活中常见的电化学腐蚀与防护常识生活电化学相关的安全常识课程总结《生活化学科课堂｜发现身边的电化学常识知识》作为一名从事生活化学普及教学十余年的从业者，我在授课中发现，多数公众对电化学的认知仍停留在中学教材的原电池、电解池试题中，认为这类知识只是应试考点，和日常生产生活没有深度关联。但实际上，小到口袋里的手机电池、身上贴的暖宝宝，大到跨海大桥的钢铁桥墩、新能源汽车的动力系统，电化学原理始终贯穿在我们生活的方方面面。本次课程我将从核心基础概念界定入手，逐步梳理日常生活中常见的电化学应用、电化学危害与防护，以及必备安全常识，带领大家重新发现身边的电化学知识。01课程核心基础概念的生活化界定课程核心基础概念的生活化界定本次课程不堆砌复杂的热力学公式与电极电势计算，仅从应用层面明确核心逻辑，为后续内容铺垫基础。1电化学研究的核心范畴电化学本质是研究化学能与电能相互转换过程及规律的学科，所有的电化学过程都围绕两类核心体系展开，其转换方向和驱动条件存在明确差异。2两类核心电化学体系的核心特征2.1原电池体系原电池是利用自发进行的氧化还原反应，将化学能转化为电能的装置，核心构成满足四个条件：两个活性不同的电极、电解质（溶液或熔融态）、闭合回路、自发氧化还原反应。我们日常见到的电池放电、暖宝宝发热、钢铁生锈，本质上都属于原电池过程。2两类核心电化学体系的核心特征2.2电解池体系电解池是借助外接直流电源提供电能，推动非自发的氧化还原反应发生，将电能转化为化学能的装置，核心区别是必须依赖外接电源驱动。我们日常给手机电池充电、制备次氯酸钠消毒液，都属于电解池过程。在明确两类核心体系的基础上，我们接下来从日常小件用品到大型工程，逐一拆解我们身边随处可见的电化学应用场景。02日常生活中常见的电化学应用场景1随身便携式电子设备的电化学核心1.1一次干电池的工作原理与使用特性我们常用的五号、七号锌锰干电池是最经典的原电池，我小时候拆解过报废的干电池：外层锌筒是负极，中间碳棒是正极，内部填充的二氧化锰、氯化铵糊是电解质；放电过程中锌被不断腐蚀，因此用久的干电池会出现漏液，本质就是锌筒被腐蚀穿孔导致的，这类电池的放电反应不可逆，因此无法充电重复使用。1随身便携式电子设备的电化学核心1.2二次锂电池的工作逻辑我们手机、笔记本电脑用的锂电池属于二次电池，放电过程是原电池反应，充电过程是电解池反应。我曾在实验室拆解过报废的手机锂电池，正极一般为钴酸锂或磷酸铁锂，负极是多孔石墨，电解质为有机碳酸酯溶液；放电时锂离子从负极石墨中脱嵌，移动到正极，外接电路形成稳定电流；充电时在外接电源作用下，锂离子从正极脱嵌，回到负极孔隙中完成储能。很多人都有冬天手机掉电快的体验，我做过相关测试：在0℃环境下，普通锂电池的可用容量会降到常温的60%左右，核心原因就是低温下锂离子在电解质和电极内部的迁移速率大幅下降，电池内阻升高，能释放的电能也就随之减少，这就是电化学特性直接影响使用体验的典型案例。1随身便携式电子设备的电化学核心1.3无线充电的电化学本质很多人好奇无线充电的原理，本质上只是通过电磁感应将电能传递到手机内部，后续的充电过程仍然是典型的电解池过程，和有线充电的电化学过程没有本质差异。2居家日用产品中的电化学应用2.1暖宝宝的电化学发热原理市面上常见的一次性暖宝宝，发热本质就是利用铁的吸氧腐蚀原电池反应。我在上大学的时候做过开放实验：将还原铁粉、活性炭粉和氯化钠按比例混合，加入少量水后用卫生纸包裹，不到五分钟混合物的温度就升到了40℃以上，这个就是暖宝宝的原理：铁作为负极，碳作为正极，氯化钠溶液作为电解质，形成无数微小原电池，将铁被氧气氧化的速率加快了几十倍，氧化过程释放的热量被保温材料包裹，就能持续发热十几个小时，打破了很多人认为暖宝宝是利用普通化学反应发热的误区。2居家日用产品中的电化学应用2.2家用次氯酸钠消毒液发生器的电化学原理疫情之后很多家庭购买了小型的电解消毒液发生器，只需要加入食盐和水就能生成84消毒液，其核心就是电解池反应：电解氯化钠溶液时，阳极氯离子失去电子生成氯气，阴极水得到电子生成氢气和氢氧化钠，氯气和氢氧化钠在溶液中反应生成次氯酸钠，也就是我们需要的消毒液，整个过程都是电解过程驱动的。2居家日用产品中的电化学应用2.3电解除水垢装置的原理很多人会买那种插在电热水壶里除水垢的神器，两个电极插进去通电一段时间水垢就脱落了，这个也是电化学的作用：电解过程中，阳极会析出氢离子，阴极析出氢氧根，水垢主要成分碳酸钙附着在壶壁，阴极附近的碱性环境会改变水垢与壶壁之间的界面张力，同时电解产生的微小气泡会进入水垢缝隙，推动水垢从壶壁脱落，达到除垢的效果。3工业工程领域的生活化电化学应用3.1新能源汽车动力电池的电化学特性差异现在常见的新能源汽车动力电池主要分为磷酸铁锂和三元锂两类，二者的差异本质是正极材料的电化学特性不同：磷酸铁锂的电化学稳定性更好，热失控温度更高，因此安全性更高，循环寿命更长，但能量密度更低，低温下容量衰减更明显；三元锂正极材料的能量密度更高，低温性能更好，但热稳定性更差，对安全防护的要求更高，这些产品特性差异全部由材料的电化学本征属性决定。3工业工程领域的生活化电化学应用3.2钢铁构件的电化学保护技术我去年跟着市政工程研究院的团队做地下供水管道检测，发现所有新铺设的钢管都每隔一段焊了一块锌块，很多同行的非专业人员都不知道这是做什么的，其实这就是牺牲阳极的阴极保护法，典型的原电池应用：锌的金属活动性比铁强，锌和铁在土壤电解质中形成原电池，活泼的锌作为原电池负极（阳极）被腐蚀，钢管作为正极（阴极）被保护，能够将钢管的使用寿命延长一倍以上；对于跨海大桥这类大型钢铁结构，还会采用外加电流的阴极保护法，给钢铁构件接外接电源的负极，让钢铁整体不会失去电子被腐蚀，配合重防腐涂层，能够让桥梁的设计使用寿命从50年延长到120年以上。以上我们梳理了各类对生活有益的电化学应用，但实际上电化学过程也会给我们带来一些不必要的损害，接下来我们就梳理生活中常见的电化学腐蚀与对应的防护常识。03生活中常见的电化学腐蚀与防护常识1常见电化学腐蚀的成因与表现1.1钢铁生锈的电化学本质日常生活中90%以上的钢铁生锈都是电化学腐蚀，而不是单纯的化学腐蚀。因为钢铁中都含有碳等杂质，当钢铁表面吸附了空气中的水分形成水膜，水膜溶解了氧气和二氧化碳，就形成了电解质溶液，铁和碳形成无数微小原电池，铁作为负极失去电子被氧化，碳作为正极，氧气在正极得到电子，整个过程就是吸氧腐蚀，反应速率比单纯铁和氧气的化学腐蚀快几十倍。我们常见的铁锅用完不擦干第二天就生锈，就是这个原因，只要保持干燥，没有电解质溶液，就无法形成原电池，也就不容易生锈。1常见电化学腐蚀的成因与表现1.2银饰发黑的电化学过程很多人佩戴银饰一段时间后会发黑，传统认为是银和空气中的硫化氢反应生成硫化银，实际上这个过程也是电化学腐蚀驱动的：银饰品中一般含有铜等杂质，银表面吸附的水膜溶解了硫化物，就形成了原电池，银作为负极失去电子被氧化，加快了硫化银的生成速率，所以纯度越高的银饰反而比含杂质的银饰更不容易发黑。1常见电化学腐蚀的成因与表现1.3不锈钢生锈的成因很多人认为不锈钢不会生锈，实际上不锈钢也会发生电化学腐蚀，我家里的不锈钢菜刀长期放在靠近盐罐的位置，刀身靠近刀柄的位置就出现了锈斑，核心原因是氯离子会破坏不锈钢表面的钝化保护膜，露出内部的金属铁，和碳杂质形成原电池，发生点蚀，时间长了就会形成锈斑，所以不锈钢餐具不能长期接触高盐溶液就是这个道理。2日常生活中电化学腐蚀的防护方法2.1基础防护方法：破坏原电池形成条件针对小型金属器具，最简单的防护方法就是保持干燥，用完擦干，表面涂油，隔绝水和氧气，破坏原电池形成的必要条件，就能大幅减缓腐蚀，比如铁锅用完擦干涂一层食用油，就可以有效防止生锈。2日常生活中电化学腐蚀的防护方法2.2实用的电化学除蚀技巧我们生活中就可以用原电池原理去除金属表面的腐蚀产物，比如发黑的银饰，我们可以用铝箔把银饰包起来，放入盆中，加入开水和一勺食盐，静置十几分钟，银饰表面的黑色硫化银就会被还原成单质银，我多次给学生演示这个实验，效果非常明显，整个过程不需要任何强酸强碱，非常安全，原理就是铝比银活泼，铝和银在盐水中形成原电池，铝作为负极被氧化，硫化银作为正极得到电子被还原成银，既去除了黑斑，又不会损失银，非常实用。2日常生活中电化学腐蚀的防护方法2.3工业领域的组合防护方案针对大型钢铁构件，除了前面提到的阴极保护法，还会配合重防腐涂层，形成双重防护：一方面涂层隔绝电解质和氧气，另一方面阴极保护避免涂层破损后发生局部腐蚀，大幅延长构件的使用寿命。在梳理完应用和防护之后，我们还需要掌握生活电化学相关的安全常识，避免不当操作带来的安全风险。04生活电化学相关的安全常识1废旧二次电池的安全处理废旧锂电池如果受到穿刺、挤压，会导致内部隔膜破损，正负极直接接触，引发内部短路，原电池快速放电，短时间内释放大量热量，引发热失控，导致起火爆炸。我在实验室见过电池穿刺实验，一枚报废的手机电池被钢针穿刺后，三秒就开始冒烟，十秒就发生了燃烧，所以一定不要随意拆解废旧电池，更不要将废旧电池投入火中或高温环境中。2家用电解装置的操作安全家用次氯酸钠发生器电解食盐水的时候，阴极会析出氢气，氢气是易燃易爆气体，如果在密闭空间中积累，达到爆炸极限遇到电火花就会爆炸，所以操作的时候一定要保持通风，不要在密闭的小空间内长时间操作。3动力电池的安全使用日常使用电动车或手机电池的时候，不要过充过放，低温环境下尽量不要快充，因为低温下锂离子容易在负极表面析出形成锂枝晶，锂枝晶会刺穿隔膜，引发内部短路，带来安全风险。05课程总结课程总结本次课程围绕“身边的电化学常识”，从核心概念界定入手，逐步梳理了日常电子用品、居家产品、工业工程领域的电化学应用，分析了生活中常见电化学腐蚀的成因与实用防护方法