科技名詞定義

中文名稱：

電化學

英文名稱：

electrochemistry

定義1：

研究電能與化學能之間相互直接轉(zhuǎn)換的學科。

應用學科：

電力（一級學科）；配電與用電（二級學科）

定義2：

研究化學能和電能相互轉(zhuǎn)變及與此過程有關(guān)的現(xiàn)象的科學。

應用學科：

機械工程（一級學科）；表面工程（二級學科）；電鍍與化學鍍（三級學科）

電化學是研究電和化學反應相互關(guān)系的科學。電和化學反應相互作用可通過電池來完成，也可利用高壓靜電放電來實現(xiàn)（如氧通過無聲放電管轉(zhuǎn)變?yōu)槌粞酰?，二者統(tǒng)稱電化學，后者為電化學的一個分支，稱放電化學。由于放電化學有了專門的名稱，因而，電化學往往專門指“電池的科學”。

電池由兩個電極和電極之間的電解質(zhì)構(gòu)成，因而電化學的研究內(nèi)容應包括兩個方面：一是電解質(zhì)的研

  

原電池和電解池的比較

究，即電解質(zhì)學，其中包括電解質(zhì)的導電性質(zhì)、離子的傳輸性質(zhì)、參與反應離子的平衡性質(zhì)等，其中電解質(zhì)溶液的物理化學研究常稱作電解質(zhì)溶液理論；另一方面是電極的研究，即電極學，其中包括電極的平衡性質(zhì)和通電后的極化性質(zhì)，也就是電極和電解質(zhì)界面上的電化學行為。電解質(zhì)學和電極學的研究都會涉及到化學熱力學、化學動力學和物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

原電池

　　原電池是利用兩個電極之間金屬性的不同,產(chǎn)生電勢差,從而使電子的流動,產(chǎn)生電流.又稱非蓄電池，是電化電池的一種，其電化反應不能逆轉(zhuǎn)，即是只能將化學能轉(zhuǎn)換為電能，簡單說就即是不能重新儲存電力，與蓄電池相對。

　　原電池是將化學能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。所以，根據(jù)定義，普通的干電池、燃料電池都可以稱為原電池。

　　組成原電池的基本條件：

　　1、將兩種活潑性不同的金屬（即一種是活潑金屬一種是不活潑金屬），或著一種金屬與石墨(Pt和石墨為惰性電極，即本身不會得失電子)等惰性電極插入電解質(zhì)溶液中。

　　2、用導線連接后插入電解質(zhì)溶液中，形成閉合回路。

　　3、要發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應。

　　原電池工作原理

　　原電池是將一個能自發(fā)進行的氧化還原反應的氧化反應和還原反應分別在原電池的負極和正極上發(fā)生，從而在外電路中產(chǎn)生電流。

　　原電池的電極的判斷：

　　負極：電子流出的一極；發(fā)生氧化反應的一極；活潑性較強金屬的一極。

　　正極：電子流入的一極；發(fā)生還原反應的一極；相對不活潑的金屬或其它導體的一極。

　　在原電池中，外電路為電子導電，電解質(zhì)溶液中為離子導電。

　　原電池的判定：

　?。?）先分析有無外接電路，有外接電源的為電解池，無外接電源的可能為原電池；然后依據(jù)原電池的形成條件分析判斷，主要是“四看”：看電極——兩極為導體且存在活潑性差異（燃料電池的電極一般為惰性電極）；看溶液——兩極插入溶液中；看回路——形成閉合回路或兩極直接接觸；看本質(zhì)——有無氧化還原反應。

　?。?）多池相連，但無外接電源時，兩極活潑性差異最大的一池為原電池，其他各池可看做電解池。

電解池

　　電解池是將電能轉(zhuǎn)化為化學能的裝置。

　　電解是使電流通過電解質(zhì)溶液（或熔融的電解質(zhì)）而在陰、陽兩極引起氧化還原反應的過程。電解是使電流通過電解質(zhì)溶液（或熔融的電解質(zhì)）

　　發(fā)生電解反應的條件：　

　　①連接直流電源

　?、陉庩栯姌O 陰極：與電源負極相連為陰極

　　陽極：與電源正極相連為陽極

　　③兩極處于電解質(zhì)溶液或熔融電解質(zhì)中

　?、軆呻姌O形成閉合回路

　　電解過程中的能量轉(zhuǎn)化（裝置特點）：

　　陰極：一定不參與反應 不一定惰性電極

　　陽極：不一定參與反應 也不一定是惰性電極

　　電解結(jié)果：

　　在兩極上有新物質(zhì)生成

　　電解池電極反應方程式的書寫：陽極：活潑金屬—電極失電子（Au,Pt 除外）；惰性電極—溶液中陰離子失電子

　　注：失電子能力：活潑金屬（除Pt Au）>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根(NO3 ->SO4 2-)>F-

　　陰極：溶液中陽離子得電子

　　注：得電子能力：Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+（酸）>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H2O（水）>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+（即活潑型金屬順序表的逆向）

　　規(guī)律：鋁前（含鋁）離子不放電，氫（酸）后離子先放電，氫（酸）前鋁后的離子看條件。

　　四類電解型的電解規(guī)律①電解水型（強堿，含氧酸，活潑金屬的含氧酸鹽），pH由溶液的酸堿性決定，溶液呈堿性則pH增大，溶液呈酸性則pH減小，溶液呈中性則pH不變。電解質(zhì)溶液復原—加適量水。

　?、陔娊怆娊赓|(zhì)型（無氧酸，不活潑金屬的無氧酸鹽，），無氧酸pH變大，不活潑金屬的無氧酸鹽PH不變。電解質(zhì)溶液復原—加適量電解質(zhì)。

　?、鄯艢渖鷫A型（活潑金屬的無氧酸鹽），pH變大。電解質(zhì)溶液復原—加陰離子相同的酸。

　?、芊叛跎嵝停ú换顫娊饘俚暮跛猁}），pH變小。電解質(zhì) 溶液復原—加陽離子相同的堿或氧化物。

在1663年，德國物理學家 Otto von Guericke 創(chuàng)造了第一個發(fā)電機，通過在機器中的摩擦而產(chǎn)生靜

  

不銹鋼管件電化學拋光

電。這個發(fā)電機將一個巨大的硫球放入玻璃球中，并固定在一棵軸上制成的。通過搖動曲軸來轉(zhuǎn)動球體，當一個襯墊與轉(zhuǎn)動的球發(fā)生摩擦的時候就會產(chǎn)生靜電火花。 這個球體可以拆卸并可以用作電學試驗的來源。

　　在17世紀中葉，法國化學家 Charles François de Cisternay du Fay 發(fā)現(xiàn)了兩種不同的靜電，即同種電荷相互排斥而不同種電荷相互吸引。 Du Fay 發(fā)布說電由兩種不同液體組成："vitreous" (拉丁語”玻璃“)，或者正電；以及"resinous", 或者負電。這便是電的雙液體理論，這個理論被17世紀晚期Benjamin Franklin 的單液體理論所否定。

　　1781年，查爾斯.奧古斯丁 庫侖 (Charles-Augustin de Coulomb) 在試圖研究由英國科學家Joseph Priestley 提出的電荷相斥法則的過程中發(fā)展了靜電相吸的法則。

　　1791年伽伐尼發(fā)表了金屬能使蛙腿肌肉抽縮的“動物電”現(xiàn)象，一般認為這是電化學的起源。1799年伏打在伽伐尼工作的基礎(chǔ)上發(fā)明了用不同的金屬片夾濕紙組成的“電堆”，即現(xiàn)今所謂“伏打堆”。這是化學電源的雛型。在直流電機發(fā)明以前，各種化學電源是唯一能提供恒穩(wěn)電流的電源。1834年法拉第電解定律的發(fā)現(xiàn)為電化學奠定了定量基礎(chǔ)。

　　19世紀下半葉，經(jīng)過赫爾姆霍茲和吉布斯的工作，賦于電池的“起電力”(今稱“電動勢”)以明確的熱力學含義；1889年能斯特用熱力學導出了參與電極反應的物質(zhì)濃度與電極電勢的關(guān)系，即著名的能斯脫公式；1923年德拜和休克爾提出了人們普遍接受的強電解質(zhì)稀溶液靜電理論，大大促進了電化學在理論探討和實驗方法方面的發(fā)展。

　　20世紀40年代以后，電化學暫態(tài)技術(shù)的應用和發(fā)展、電化學方法與光學和表面技術(shù)的聯(lián)用，使人們可以研究快速和復雜的電極反應，可提供電極界面上分子的信息。電化學一直是物理化學中比較活躍的分支學科，它的發(fā)展與固體物理、催化、生命科學等學科的發(fā)展相互促進、相互滲透。

　　在物理化學的眾多分支中，電化學是唯一以大工業(yè)為基礎(chǔ)的學科。它的應用主要有：電解工業(yè)，其中的氯堿工業(yè)是僅次于合成氨和硫酸的無機物基礎(chǔ)工業(yè)；鋁、鈉等輕金屬的冶煉，銅、鋅等的精煉也都用的是電解法；機械工業(yè)使用電鍍、電拋光、電泳涂漆等來完成部件的表面精整；環(huán)境保護可用電滲析的方法除去氰離子、鉻離子等污染物；化學電源；金屬的防腐蝕問題，大部分金屬腐蝕是電化學腐蝕問題；許多生命現(xiàn)象如肌肉運動、神經(jīng)的信息傳遞都涉及到電化學機理。應用電化學原理發(fā)展起來的各種電化學分析法已成為實驗室和工業(yè)監(jiān)控的不可缺少的手段。

　電池由兩個電極和電極之間的電解質(zhì)構(gòu)成，因而電化學的研究內(nèi)容應包括兩個方面：一是電解質(zhì)的研究，即電解質(zhì)學，其中包括電解質(zhì)的導電性質(zhì)、離子的傳輸性質(zhì)、參與反應離子的平衡性質(zhì)等，其中電解質(zhì)溶液的物理化學研究常稱作電解質(zhì)溶液理論；另一方面是電極的研究，即電極學，其中包括電極的平衡性質(zhì)和通電后的極化性質(zhì)，也就是電極和電解質(zhì)界面上的電化學行為。電解質(zhì)學和電極學的研究都會涉及到化學熱力學、化學動力學和物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

　 

根據(jù)電化學腐蝕原理，依靠外部電流的流入改變金屬的電位，從而降低金屬腐蝕速度的一種材料保護技

  

sp500電化學打標機

　　術(shù)。按照金屬電位變動的趨向，電化學保護分為陰極保護和陽極保護兩類。①陰極保護。通過降低金屬電位而達到保護目的的，稱為陰極保護。根據(jù)保護電流的來源，陰極保護有外加電流法和犧牲陽極法。外加電流法是由外部直流電源提供保護電流，電源的負極連接保護對象，正極連接輔助陽極，通過電解質(zhì)環(huán)境構(gòu)成電流回路。犧牲陽極法是依靠電位負于保護對象的金屬（犧牲陽極）自身消耗來提供保護電流，保護對象直接與犧牲陽極連接，在電解質(zhì)環(huán)境中構(gòu)成保護電流回路。陰極保護主要用于防止土壤、海水等中性介質(zhì)中的金屬腐蝕。②陽極保護。通過提高可鈍化金屬的電位使其進入鈍態(tài)而達到保護目的的，稱為陽極保護。陽極保護是利用陽極極化電流使金屬處于穩(wěn)定的鈍態(tài)，其保護系統(tǒng)類似于外加電流陰極保護系統(tǒng)，只是極化電流的方向相反。只有具有活化 - 鈍化轉(zhuǎn)變的腐蝕體系才能采用陽極保護技術(shù)，例如濃硫酸貯罐、氨水貯槽等。

利用電化學手段分離溶液中的金屬離子、有機分子的方法，共分四類：

控制電位的電解分離法

　　當溶液中存在兩種或兩種以上的金屬離子時，如果它們的還原電位相近，□例如Cu□（標準電極電位□□=+0.345伏）和Bi□(□□= 0.2伏)，則在電解時都會還原析出，達不到分離的目的。圖1兩種金屬離子A和B的分解電位表示，如果控制陰極電位為□，則金屬離子A可產(chǎn)生強度為□的電流，即可被還原；而金屬離子B的電流強度極小，即幾乎不能被還原，這樣即可達到分離目的，并分別測定A和B。在電解過程中， 陰極電位□□□是在不斷變化的，□□=□ 式中□□為標準電極電位；□□為氣體常數(shù)；□為熱力學溫度；□為電極過程電子轉(zhuǎn)移數(shù)；□為法拉第常數(shù)；□為離子活度；□□為陰極超電壓。電解時，離子濃度不斷降低，□□的負值不斷增加，以致B也被電解出來。為了控制陰極電位，要用圖2控制電位的線路的線路隨時調(diào)整外加電壓。，e□是鉑絲對電極，e□是參比電極(飽和甘汞電極)。選定的e□的電位(相對于e□)可從電位計V讀出，電解電流從毫安計 A讀出，在電解過程中不斷調(diào)整電阻□ 以保持陰極電位不變。

　　至于選擇什么電位要看實驗條件，例如在分別測定Cu□和Bi□時，由于兩者電位太相近，需要在溶液中加入酒石酸，調(diào)節(jié)pH=5.8～6.0，Bi□與酒石酸生成的絡合物比Cu□ 的穩(wěn)定得多，使兩者的分解電壓相差得大一些，然后再加入適量的肼，以加速Cu□的還原。在這種條件下，控制陰極電位為－0.30伏，銅先電解出來，稱出陰極的增重后，調(diào)節(jié)pH為4.5～5.5，控制陰極電位為－0.40伏，可將鉍全部電解出來。如果溶液中還有Pb□，可將電位控制在－0.50伏，進行電解。應用此法時，后被電解的離子的濃度不能超過先被電解的離子的濃度。

汞陰極電解分離法

　　H□在汞陰極上被還原時，有很大的超電壓，所以在酸性溶液中可以分離掉一些容易被還原的金屬離子，使一些重金屬（如銅、鉛、鎘、鋅）沉積在汞陰極上，形成汞齊，同時保留少量不容易被還原的離子，如堿金屬、堿土金屬、鋁、鐵、鎳、鉻、鈦、釩、鎢、硅等。

內(nèi)電解分離法

　　在酸性溶液中，利用金屬氧化－還原電位的不同，可以組成一個內(nèi)電解池，即不需要外加電壓就可以進行電解。例如要從大量鉛中分離微量銅，在硫酸溶液中Cu□比Pb□先還原，因此可將鉛板作為一個電極，與鉑電極相連，組成一個內(nèi)電解池，它產(chǎn)生一個自發(fā)的電動勢，來源于Pb的氧化和Cu□的還原。這個電動勢使反應能夠進行，直到電流趨近于零時，內(nèi)電解池就不再作用了。內(nèi)電解可以分離出微量的容易還原的金屬離子，缺點是電解進行緩慢，因此應用不廣。

電滲析法

　　液體中的離子或荷電質(zhì)點能在電場的影響下遷移。由于離子的性質(zhì)不同，遷移的速率也不同，正負電荷移動的方向也不同。當在電池的兩極加上一個直流電壓時，可以把一些有機物的混合物分離。如臨床實驗中常用此法研究蛋白質(zhì)，將試樣放在一個載器上，外加電場后，荷電質(zhì)點沿著載器向電荷相反的電極遷移，因它們移動的速率不同而分離，一般能把血清蛋白分成五部分。改進實驗技術(shù)可使?jié)饪s斑點的寬度達到25微米左右，然后進行電滲析，可將血清蛋白分成二十個很清晰的部分。

基于溶液電化學性質(zhì)的化學分析方法。電化學分析法是由德國化學家C.溫克勒爾在19世紀首先引入分析領(lǐng)域的，儀器分析法始于1922年捷克化學家 J.海洛夫斯基建立極譜法 。電化學分析法的基礎(chǔ)是在電化學池中所發(fā)生的電化學反應。電化學池由電解質(zhì)溶液和浸入其中的兩個電極組成，兩電極用外電路接通。在兩個電極上發(fā)生氧化還原反應，電子通過連接兩電極的外電路從一個電極流到另一個電極。根據(jù)溶液的電化學性質(zhì)（如電極電位、電流、電導、電量等）與被測物質(zhì)的化學或物理性質(zhì)（ 如電解質(zhì)溶液的化學組成 、濃度、氧化態(tài)與還原態(tài)的比率等）之間的關(guān)系，將被測定物質(zhì)的濃度轉(zhuǎn)化為一種電學參量加以測量。

　　根據(jù)國際純粹化學與應用化學聯(lián)合會倡議，電化學分析法分為三大類：①既不涉及雙電層，也不涉及電極反應，包括電導分析法、高頻滴定法等。②涉及雙電層，但不涉及電極反應，例如通過測量表面張力或非法拉第阻抗而測定濃度的分析方法。③涉及電極反應，又分為兩類：一類是電解電流為0，如電位滴定；另一類是電解電流不等于0，包括計時電位法、計時電流法、陽極溶出法、交流極譜法、單掃描極譜法、方波極譜法、示波極譜法、庫侖分析法等。

在物理化學的眾多分支中，電化學是唯一以大工業(yè)為基礎(chǔ)的學科。它的應用分為以下幾個方面：①電解工業(yè)，其中的氯堿工業(yè)是僅次于合成氨和硫酸的無機物基礎(chǔ)工業(yè)、耐綸66的中間單體己二腈是通過電解合成的；鋁、鈉等輕金屬的冶煉，銅、鋅等的精煉也都用的是電解法；②機械工業(yè)要用電鍍、電拋光、電泳涂漆等來完成部件的表面精整；③環(huán)境保護可用電滲析的方法除去氰離子、鉻離子等污染物；④化學電源；⑤金屬的防腐蝕問題，大部分金屬腐蝕是電化學腐蝕問題；⑥許多生命現(xiàn)象如肌肉運動、神經(jīng)的信息傳遞都涉及到電化學機理；⑦應用電化學原理發(fā)展起來的各種電化學分析法已成為實驗室和工業(yè)監(jiān)控的不可缺少的手段。