应用电化学第二章电化学基础理论第四节
“电化学基础与应用”教案
“电化学基础与应用”教案课程名称:电化学基础与应用一、课程目标1.理解电化学的基本概念和原理,包括电池反应、电解反应、电化学能转换等。
2.掌握电化学实验技能,包括电极材料的制备、电池性能测试、电化学测量等。
3.能够应用电化学原理解决实际问题,如能源储存与转化、环境保护、材料科学等。
二、课程内容第一章:电化学基础知识1.电化学发展史与基本概念2.电解质溶液的性质与离子导电3.电解与电池反应的基本原理第二章:电极材料与电池反应1.电极材料的性能与选择2.电池反应动力学与反应速率3.电池反应的能量转换效率第三章:电化学能转换与储存1.原电池与电解池的工作原理2.电池能量储存与释放的机制3.燃料电池、太阳能电池、锂离子电池等实例第四章:电化学在环境科学中的应用1.电化学方法在废水处理中的应用2.电化学在空气净化与保护中的作用3.电化学传感器在环境监测中的应用第五章:电化学在材料科学中的应用1.电化学方法制备新材料2.电化学腐蚀与防护技术3.电化学在表面处理与涂层制备中的应用三、教学方法1.理论教学:通过讲解、演示、讨论等方式,使学生理解电化学的基本概念和原理。
2.实验教学:进行电化学实验操作,包括电极材料的制备、电池性能测试、电化学测量等,培养学生的实验技能。
3.问题解决:通过案例分析和实际问题解决,使学生能够应用电化学原理解决实际问题。
4.小组讨论:组织学生进行小组讨论,鼓励学生交流思想和观点,提高其协作能力。
5.网络教学:利用网络平台,提供课程资料、实验指导、在线答疑等资源,方便学生学习和交流。
四、考核方式1.课堂表现:根据学生的出勤情况、课堂参与程度等进行评价。
2.实验报告:根据学生的实验操作和实验报告的撰写质量进行评价。
3.期末考试:进行期末考试,考核学生对电化学基础知识的掌握程度和应用能力。
《应用电化学基础》读书笔记思维导图
第3章 电极电势与电 池电动势
05 第4章 平衡态电化学
06
第5章 电极过程动力 学
目录
07 第6章 电化学测试技 术
09
第8章 金属的腐蚀与 防护
08
第7章 电化学交流阻 抗
010 参考文献
本书是电化学专业入门学习的基础读物,介绍电化学基础理论以及少量常见的应用电化学知识。全书由四部 分组成,第一部分为绪论,包括电化学的定义及研究内容、电化学技术应用、电化学史话等;第二部分(第1~5 章)为电化学基本原理篇,主要阐述化学电池、电极与电解质溶液,实用电池与电解的应用,电极电势与电池电 动势,平衡态电化学,电极过程动力学;第三部分(第6,7章)为电化学测试篇,主要介绍电化学测试的基础术语 及常用的电化学测试技术;第四部分(第8章)应用电化学篇,主要介绍腐蚀电化学的基本原理与术语、金属腐蚀破 坏的形态与金属在自然环境中的腐蚀、防腐蚀技术与腐蚀监测等。书中内容深入浅出、图文并茂,尤其对少数较 抽象的理论,采用与宏观事物类比或采用大量形象生动的图示来加以说明,并尽量使用通俗易懂的语言以帮助读 者理解。本书既适合作为高等院校电化学专业课程教材,也适合环境保护、生物医药、机械制造、电子电气、化 学工业、车辆船舶、轻工、建筑、冶金、能源、军工等领域从事与电化学相关的工程设计、技术开发、产品检测、 生产技术管理和科学研究等方面工作的工程技术人员阅读。
4.1 自发变化的自由 能与电池电动势
4.2 能斯特方程
4.3 浓差电池电动势 的计算
4.4 液体接界电势
习题
4.5 电化学势
参考文献
第5章 电极过程动力学
5.1 分解电压与极化
5.2 电极反应的若干 基础知识
5.3 “电极/溶液” 界面附近液相中的 传...
应用电化学复习资料
第一章电化学理论基础1.如何设计电化学反应体系答:一、一般电化学体系为三电极体系,相应的三个电极为工作电极、辅助电极、参比电极。
①工作电极要求:(1)所研究的电化学反应不会因电极自身所发生的反应而受到影响,并且能够在较大的电位区域中进行测定;(2)电极必须不与溶剂或电解液组分发生反应;(3)电极面积不宜太大,电极表面最好应是均一、平滑的,且能够通过简单的方法进行表面净化。
分类:工作电极可以是导电的固体,也可以是液体。
最普通的“惰性”固体电极材料是玻碳、铂、金、银、铅和导电玻璃等。
液体电极中,汞和汞齐是最常用的工作电极,都有可重现的均相表面,制备和保持清洁都较容易。
②辅助电极要求:(1)与工作电极相比,辅助电极应具有大的表面积使得外部所加的极化主要作用于工作电极上;(2)辅助电极本身电阻要小,并且不容易极化;(3)形状(丝状、方形片状、网状、棒状)和位置。
③参比电极要求:(1)可逆电极,电极电势符合Nernst方程;(2)反应时有较大的交换电流密度,流过微小的电流时电极电势能迅速恢复原状;(3)应具有良好的电势稳定性和重现性等。
二、隔膜作用:隔膜电解槽必要的结构单元,隔膜将电解槽分隔为阳极区和阴极区,以保证阴极、阳极上发生氧化-还原反应的反应物和产物不互相接触和干扰。
要求:(1)保持一定的机械强度;(2)具有良好的离子透过能力;(3)具备抗化学及电化学腐蚀的能力;(4)成本低,适于大规模工业化生产;(6)杂质含量少,性能均匀。
三、电解液分类:水溶液体系、熔融盐体系、有机溶剂体系措施:(1)如果以水作为溶剂,在电化学实验前通常要将离子交换水进行二次或多次蒸馏后使用。
蒸馏最好采用石英容器,第一次蒸馏时常通过KMnO4溶液以除去可能存在的有机杂质;(2)有机溶剂使用前也必须进行纯化,一般在对溶剂进行化学处理后采用常压或减压蒸馏提纯:降低或消除水的方法一般是先通过分子筛交换,然后通过CaH2吸水,再蒸馏而除去2.法拉第过程:电荷经过电极/溶液界面进行传递而引起的某种物质发生氧化或还原反应的过程,是个化学反应。
应用电化学基础理论PPT课件
燃料电池的燃料可以是氢气、甲烷、乙醇等,氧化剂可以是氧气或空 气,通过控制反应条件可以实现高效、清洁的能源利用。
电镀与金属的电化学腐蚀防护
电镀是利用电解原理在金属表面镀上一层金属或合金 的过程,以提高金属的耐腐蚀性、耐磨性、装饰性和
功能性。
输标02入题
电镀过程中,阳极上的金属离子会通过电解作用沉积 在阴极表面形成镀层,可以控制镀层的厚度和成分。
反应和电解池反应。
电极反应
电子转移
电化学反应中,电极与电 解质溶液界面上的反应, 包括氧化和还原反应。
电化学反应中,电子从一 个原子或分子转移到另一 个原子或分子的过程。
离子转移
电化学反应中,离子在 电解质溶液中的迁移过
程。
电解质溶液
电解质
在水溶液或熔融状态下能导电的化合物。
电导率
衡量电解质溶液导电能力的物理量,与溶液 中离子的浓度和迁移率有关。
详细描述
电化学反应速率常数的大小反映了电化学反 应的快慢程度,其值越大,反应速率越快。 在一定条件下,可通过实验测定电化学反应 速率常数。
总结词
电化学反应的活化能是影响电化学反应 速率的重要因素之一,其大小与反应物
质的性质和温度等因素有关。
详细描述
活化能的大小决定了电化学反应的难易程度,活化能越高,反应越难以进行。在一定条件下,可通过实验测定电 化学反应的活化能。
目的
通过本PPT课件的学习,使学习者掌 握电化学的基本原理和应用,了解电 化学在解决实际问题中的重要性和作 用。
意义
通过深入了解电化学的应用,为解决 能源、环境、材料等领域的实际问题 提供理论支持和实践指导,促进相关 领域的发展和进步。
02 电化学基本概念
应用电化学基础理论
应用电化学 Applied electrochemistry
化学化工系
第一章
绪论
应用电化学涉及的领域
什么是电化学
1
2
本课程学习要求
3
主要内容
*
0.1.1 电化学的定义
研究物质的化学性质或化学反应与电相关的科学。
研究带电界面上有发生现象的科学。
研究电与化学变化之间的关系,即立足于物质与电流的磁、热、化学作用。
电导池常数的测量,常用已知电导率的KCl溶液注入电导池,测其电阻后得到Kcell ,后再用这个电导池测未知溶液的电导率。
电导率 =(l/A)G = KcellG = Kcell/R
电解质溶液导电除与溶液本身性质及电极有关外,还与溶液的几何形状有关,因为溶液不像固体那样规则,需要在一容器中进行测定,溶液不可能只在电极中间,那外部的溶液肯定会影响到电极的面积(相当于影响电极导电的几何面积),而这个影响可以用电导池常数来消除,也就是说测量的容器定了,那电导池的常数也就定了。
摩尔电导率与浓度的关系
强电解质的 与c的关系
Lm
随着浓度下降, 升高,通常当浓度降至0.01mol·dm-3以下时, 与 间呈线性关系。德国科学家Kohlrausch总结的经验式为:
Lm
Lm
式中 和A 是与电解质性质有关的常数。对强电解质而言,将直线外推至 ,得到无限稀释摩尔电导率 。
使用Lm时须注意: 对弱电解质,是指包括解离与未解离部分在内总物质的量为1 mol的弱电解质而言的。 物质的 基本单元。因为某电解质B的物质的量nB 及cB正比于B的基本单元的数目。
由于溶液中导电物质的量已给定,都为1mol,所以,当浓度降低时,粒子之间相互作用减弱,正、负离子迁移速率加快,溶液的摩尔电导率必定升高。但不同的电解质,摩尔电导率随浓度降低而升高的程度也大不相同。
应用电化学-1-1-基础知识
荷电粒子基本单元的选取
解法一
(1) Q = nzF =
取基本粒子荷单位电荷:即 1 Au, 1 O2
3 4
1.20 g ×1× 96500 C ⋅ mol− 1 197.0 g ⋅ mol-1 / 3 = 1763 C
Q = 1763 C = 7.05×104 s (2) t = I 0.025 A
0.4 电化学的应用
电化学是一门具有广泛应用领域的重要交叉学科, 电化学是一门具有广泛应用领域的重要交叉学科,在 解决能源、材料、 解决能源、材料、生命以及环境等重大问题上发挥着 重要的作用。 重要的作用。 化学电源(电池、燃料电池) 化学电源(电池、燃料电池) 金属腐蚀与防护(牺牲阳极Mg保护铁管) 金属腐蚀与防护(牺牲阳极Mg保护铁管) Mg保护铁管 电化学表面处理(电镀、抛光) 电化学表面处理(电镀、抛光) 电解冶金(提取Al、Mg,精炼Cu) 电解冶金(提取Al、Mg,精炼Cu) Al Cu 氯碱工业) 无机与有机电合成 (氯碱工业) 环境保护电化学(废水处理) 环境保护电化学(废水处理) 生物电化学(治疗和诊断) 生物电化学(治疗和诊断) 电化学分析(传感器,痕量分析) 电化学分析(传感器,痕量分析)
电解池(electrolytic cell)
电极①:
① ②
与外电源负极相接,是负极。 发生还原反应,是阴极。 Cu2++2e-→Cu(S)
电极②: 电极②:
与外电源正极相接,是正极。 发生氧化反应,是阳极。 Cu(S)→ Cu2++2e-
Faraday’s 法拉第定律 Faraday’s Law
9、20世纪40年代,前苏联科学家弗卢姆金从化学动力学角 度做了大量工作,后来英美科学家在这方面又做了若干奠 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, 并使之称为现在电化学的主体。 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、我国在电化学方面做出重要贡献的科学家:中科院院士 査全性、田昭武、田中群,中国工程院院士衣宝廉等。
应用电化学
前言电化学的应用举例:(1)电合成无机物和有机物,例如氯气、氢氧化钠、高锰酸钾、己二腈、四烷基铅(2)金属的提取与精炼,例如熔盐电解制取铝、湿法电冶锌、电解精炼铜(3)电池,例如锌锰电池、铅酸电池、镍镉电池、锂电池、燃料电池、太阳能电池(4)金属腐蚀和防护,采取有效的保护措施,例如电化学保护、缓蚀剂、电化学氧化等(5)表面精饰,包括电镀、阳极氧化、电泳涂漆等(6)电解加工,包括电成型(电铸)、电切削、电抛磨(7)电化学分离技术,例如电渗析、电凝聚、电浮离等应用于工业生产或废水处理(8)电分析方法,极谱、pH计等在工农业、环境保护、医药卫生等方面的应用电解和电池已经形成规模庞大的电化学工业。
第二章电催化过程电催化:在电场的作用下,存在于电极表面或液体相中的修饰物(可以是电活性的和非电活性的物质)能促进或抑制在电极上发生的电子转移反应,反应前后修饰物本身不发生变化的一类化学反应。
修饰物即为电催化剂。
电催化与常规化学催化的区别:1、在常规的化学催化作用中,反应物和催化剂之间的电子传递是在限定区域内进行的。
因此,在反应过程中,既不能从外电路中送入电子,也不能从反应体系导出电子或获得电流。
2、在电极催化反应中电子的传递过程与此不同,有纯电子的转移。
电极作为一种非均相催化剂既是反应场所,又是电子的供-受场所,即电催化反应同时具有催化化学反应和使电子迁移的双重功能。
3、在常规化学催化反应中,电子的转移过程也无法从外部加以控制。
在电催化反应过程中可以利用外部回路来控制超电压,从而使反应条件、反应速度比较容易控制,并可以实现一些剧烈的电解和氧化-还原反应的条件。
电催化反应输出的电流则可以用来作为测定反应速度快慢的依据。
4、在电催化反应中,反应前后的自由能变化幅度相当大。
在大多数场合下,由反应的种类和反应条件就可以对反应进行的方向预先估出。
因此对于电解反应来说,通过改变电极电位,就可以控制氧化反应和还原反应的方向。
《电化学基础》课件
学习储能装置和电池技术的原 理,如锂离子电池和太阳能电 池。
燃料电池和电化学传感器
燃料电池
探索燃料电池的原理与应用,如氢燃料电池和燃料电池汽车。
电化学传感器
了解电化学传感器的工作原理,以及其在环境监测和医学诊断中的应用。
《电化学基础》PPT课件
本PPT课件将介绍电化学的基础理论、动力学、电池与电解池、电化学表征技 术以及电化学的应用领域,带你深入了解这个令人着迷的领域。
电化学基础理论
1 电化学基础概念
2 电化学反应的基本
学习电化学的基础概念,
特征和实验表征方 法
包括电解质、离子和电
探索电化学反应的特征
子传输。
以及实验方法,包括溶
了解反应速率和速率常数的 定义及其在动力学研究中的 重要性。
电池和电解池
1
电池和电解池的基本概念
探索电池与电解池的原理和应用,包
奥姆定律和纳尔斯特方程
2
括电子转移和离子传输过程。
学习奥姆定律和纳尔斯特方程,揭示
电池和电解池中电流与电势之间的关
系。
3
活性质量、化学放电和电化学 效率
和计时电流法
深入了解线性扫描伏安法和循环伏安法的 原理和应用。
探索电位阶跃法和计时电流法在电化学研 究中的重要性。
电化学应用
电催化和电极催化反应
电化学合成和电化学分析 储能装置和电池技术
了解电催化和电极催化反应的 应用,如催化转化和废水处理。
探索电化学合成和电化学分析 在化学工业和实验室中的应用。
电解和电沉积过程
4
响,以及化学放电和电化学效率的计
算。
了解电解和电沉积在电化学中的应用
以及相关实验和工业过程。
应用电化学课件
Methods for
studying the
...
interface
电化学作为技术的研究范围
energy Batteries
Electrolysis & electrosynthesis
resources
Electrochemical protection of materials
environments
mistry
现代电化学
涉及学科领域:
Chemistry, Physics, Mathematics Spectroscopes (spectroscopic electrochemistry) Biological science (bio-electrochemistry) Environmental science(environmental electrochemistry)
H2 + O2 H2O + G (W) Chemical energy → Work
Electrons act as reactant or product
不自发的电化学反应—电解池(Voltaic cell)
Chemical reaction
Fe2O3 + C + H (Q) Fe + CO2
Electric phenomena /
processes
Electrochemical reactions
Chemical phenomena /
processes
Charge formation & transfer
Electrochemical Science & Technologies
formation & transformation
应用电化学基础课件
绪论
主讲教师:刘继军副教授
个人介绍 :刘继军,博士,副教授,主要从事有色冶金及金属材料、锂电
池材料的研究,曾在多家大型企业及研究院从事过科研及高层管理工
作,具有丰富的企业经验及深厚的理论基础
课堂要求
考试成绩确认
0.1 什么是电化学
0.1.1 电化学的定义
★研究物质的化学性质或化学反应与电的关系
及其邻近区域)中的输运和反应规律的科学。
如把将来的展望考虑进去,科学家提出应将
电化学定义为:
★控制离子、电子、量子、导体、半导体、介
电体间的界面及本体溶液中荷电粒子的存在和
移动的科学技术。
对于电化学是什么的命题,可以说目前还
没有一个确切的说法。从不同的角度可以
给出不同的定义。
★意大利的解剖学家Luigi Galvani在解剖青蛙
应的速率才被认为是相等的
2.可逆电极的电势
可逆电极电势,即平衡电势或平
衡电极电势。任何一个平衡电极电势都
是相对与一定的电极反应而言的:
氧化态+ze-
ik
还原态
ia
当正向反应速率(还原反应)ik与逆向反应
速率(氧化反应)ia相等时,电极反应中的
物质交换和电荷交换才是平衡的。电极处
于平衡状态。通常以符号 e 表示某一电
同样能够知道该电池反应对外电路所能提供的最大能
量。这就是电化学热力学所研究的内容。
1.2.1 可逆化学过程的热力学
1.2.1.1 平衡电极电势
1. 电极的可逆性
电池是有电极构成的,可逆电池必须要
求两个电极或半电池是可逆的
可逆电极必须具备的两个条件:
(1)、电极反应是可逆的。如Zn|ZnSO4电极,
电化学的基础理论和应用
电化学的基础理论和应用电化学是研究电和化学现象之间相互作用的学科,它涉及到电子、离子、分子和原子之间的相互转化和传递。
电化学的基础理论和应用有着广泛的应用和重要的价值,可以用于分析、合成、电镀、电解、电池、光电、观测和监测等方面。
电化学的基础理论主要包括电荷、电位、电流、电极、反应速度、电极动力学等方面。
电化学中的电荷是指电子和离子的荷电状态,通常用电量单位库仑表示。
电位是指一个系统中电荷的相互作用所产生的能量,通常用伏特表示。
电流则是指电子或离子流动的速度,它通常用安培表示。
电极是用于实现反应和传输电荷的介质,可以将电化学反应分为阳极和阴极两个部分。
反应速度则是指化学反应发生的速度,它通常用反应速率表示。
电极动力学是指研究电极表面的化学反应、反应速度、物质转移和电荷转移等方面的理论。
电化学的应用方面可以用于分析、合成、电镀、电解、电池、光电、观测和监测等方面。
在分析方面,电化学可以用于分析物质的成分、浓度、电性和化学反应等方面。
电化学分析技术一般包括电解质、电极、电位计、电流计等仪器和方法。
在合成方面,电化学可以用于自由基聚合、电镀、电刻蚀、电还原等方面。
电化学合成技术一般包括电解、电沉积、电化学合成等方法。
在电镀方面,电化学可以用于表面涂层和金属制品的修饰和保护。
电化学电镀技术一般包括表面预处理、电镀液、电极、电流、时间等关键技术和参数。
在电解方面,电化学可以用于制备金属、纯化金属、提取物质、生产氢气、消化污泥等方面。
电解技术一般包括电解质、电极、电位、电流、温度、压力等参数。
在电池方面,电化学可以用于制备电池、研究电池原理、测量电池性能等方面。
电池技术一般包括电极、电解液、隔膜、温度、湿度等因素。
在光电方面,电化学可以用于制备和性能改进光电材料、太阳能电池、液晶显示器等方面。
在观测和监测方面,电化学可以用于信号传感器、电化学传感器、毒物检测等方面。
总之,电化学是一个复杂而有用的学科,它涉及到电和化学的交叉领域,可以为人类的科学、工程和实践带来巨大的贡献。
应用电化学电化学理论基础PPT课件
利用电化学方法将废气中的氮氧化物转化为氮气和水等无害物质。
重金属离子回收技术展示
01
电镀废液处理
通过电解作用将废液中的重金属 离子还原为金属单质,实现重金 属的回收和废液的净化。
02
电池回收技术
03
电化学冶金技术
利用电化学方法将废旧电池中的 重金属离子提取出来,实现资源 的再利用。
通过电解作用从矿石或冶金废渣 中提取金属或其化合物,实现资 源的综合利用。
燃料电池类型
详细介绍质子交换膜燃料电池 (PEMFC)、固体氧化物燃料电池 (SOFC)、碱性燃料电池(AFC)等 主流燃料电池的特点及应用领域。
锂离子电池工作原理及性能评估
锂离子电池工作原理
深入解析锂离子电池的充放电过程,包括锂离子在正负极之间的 嵌入和脱出机制。
电池性能评估指标
介绍锂离子电池性能评估的主要指标,如能量密度、功率密度、 循环寿命、安全性等。
迁移过程
离子在电场作用下的定向移动,形成 电流。
界面现象及双电层结构
界面现象
不同相之间的界面上发生的特殊现象,如吸附、润湿、电毛细现象 等。
双电层结构
电极与电解质溶液界面上的电荷分布结构,包括紧密层和分散层。 紧密层内电荷密度高,分散层内电荷密度逐渐降低。
02
应用电化学领域概述
能源转换与储存技术
06
总结回顾与拓展思考
关键知识点总结回顾
电化学基本概念
包括电解质、电极、电位等核心概念的定义与性 质。
电化学体系分析
介绍不同类型电化学体系的组成、工作原理及应 用,如原电池、电解池和腐蚀电池等。
电化学反应原理
阐述电化学反应的基本过程,包括电荷转移、物 质传递和界面反应等。
应用电化学课件
应用电化学课件目录•电化学基础•电化学应用•电极材料•电化学性能测试与表征•电化学在能源领域的应用•电化学在环境领域的应用•电化学在生物医学领域的应用01电化学基础电化学体系原电池将化学能转变为电能的装置,如丹尼尔电池、铅蓄电池等。
电解池通过外加电源使电解质溶液或熔融电解质发生电解反应的装置,如电解水、电解熔融氯化钠等。
电镀池利用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的过程,如镀锌、镀银等。
电极上发生的氧化或还原反应,决定电池的电压和电流。
电极反应电极电位电极极化电极反应的趋势和程度,受温度、压力、浓度等因素影响。
电极上有电流通过时,电极电位偏离平衡电位的现象。
030201电极过程在水溶液中或熔融状态下能够导电的化合物,如酸、碱、盐等。
电解质电解质溶液中正负离子在电场作用下的定向移动。
离子迁移衡量电解质溶液导电能力的物理量,与溶液中离子浓度和迁移率有关。
电导率电解质溶液02电化学应用1 2 3介绍干电池、铅酸电池、锂离子电池等常见电池的工作原理、性能特点及应用领域。
电池种类与工作原理阐述燃料电池的工作原理,包括氢氧燃料电池、直接甲醇燃料电池等,以及关键技术和挑战。
燃料电池原理与技术讲解电池性能的主要评价指标,如电压、容量、能量密度、功率密度等,以及测试方法和标准。
电池性能评价电池与燃料电池03电镀层性能评价讲解电镀层性能的主要评价指标,如结合力、耐腐蚀性、硬度等,以及测试方法和标准。
01电解原理及应用阐述电解的基本原理,包括电解质的选择、电极反应和电解过程控制等,以及电解在冶金、化工等领域的应用。
02电镀原理及技术介绍电镀的基本原理,包括电镀液的组成、电极过程、镀层结构和性能等,以及电镀工艺和设备。
电解与电镀阐述电化学传感器的工作原理,包括离子选择性电极、气敏电极、生物传感器等,以及传感器的响应机制和选择性。
电化学传感器原理介绍电化学传感器在环境监测、生物医学、食品安全等领域的应用,如pH 计、血糖仪、气体检测仪等。
应用电化学课件第二章电化学基本原理
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2020/6/16
C.碳电极(Carbon electrode)
碳电极又分为:石墨电极、糊状碳电极和玻 碳电极等。碳电极具有电位窗口宽、容易得 到、使用方便等特点。其中玻碳电极具有导 电性高、对化学药品的稳定性好、气体无法 通过电极、纯度高、价格便宜、氢过电位和 氧过电位小以及表面容易再生等特点,因而 应用比较广泛。
⑥化学修饰电极。将活性集团、催化物质附 着在电极金属表面上,使之具有较强特征功 能。
⑦多重电极,即金属溶液界面间存在着一种 以上的电极反应
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2020/6/16
根据不同用途分为: 1.工作电极(Work electrode)
工作电极又称研究电极,其上面发生的反应 过程是我们的研究对象;
电 极 电 位 ( V ) + 0 .3 3 6 5
+ 0 .2 8 2 8
+ 0 .2 4 3 8
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2020/6/16
C. 银|氯化银电极 由覆盖着氯化银层的金属银 浸在氯化钾或盐酸溶液中组成。常用 Ag|AgCl|Cl-表 示。一般采用银丝或镀银铂丝在盐酸溶液中阳极氧 化法制备。银|氯化银电极的电极电势与溶液中Cl浓度和所处温度有关。
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2020/6/16
标准氢电极
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2020/6/16
④难溶盐电极。氧化还原对的一个组元为难溶盐 或其他固相,它包含着三个物相两个界面,如 AgCl 电 极 Ag(s) | AgCl(s) | Cl- 、 氧 化 汞 电 极 Hg(l)|HgO(s)|OH-。
应用电化学 第二章 电化学基础理论 第二节 电化学过程热力学
r Gm RT ln K ,T , P a
r H m ZEF ZFT E
r S m ZF E
T
T
P
P
ห้องสมุดไป่ตู้
rU m QR W f ,max ZFT E
T
P
ZEF
7
W、Q不同,不可逆过程电功Wi,f为
Wi , f ZVF
5
体积功为0时,由热力学第一定律,得电池反应内能变化为:
rU m QR W f ,max ZFT E
T
P
ZEF
6
二、不可逆电化学过程的热力学
实际电化学过程有一定电流通过,为不可逆过程。等温、等压、反应进度 §=1mol时,不可逆电池的 rGm, rHm, rSm, rUm与可逆电池相同:
不可逆电解过程热效应:
Qi, rU m Wi, f ZFT E T ZF ( E V )
ZFT E
) T
P
P
可逆电解时吸收的热量;
-ZF(V-E)为克服电解过程各阻力放出的热量
实际电解过程中,体系放出热量,需移走热量、维持温度恒定。
9
EӨ标准电动势
ln K zF
a
KӨ电池反应的平衡常数
温度系数
r H m zEF zFT E
T
P
4
电池短路时(不作电功,直接发生化学反应)热效应
QP r H m
r S m zF E
T
(电池反应的熵变)
P
等温可逆电池反应热效应:
应用电化学课件第二章电化学基本原理 共212页
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13.07.2019
A. 标准氢电极(NHE) 常以氢离子和氢气的活度为1时的电位即E0为 电极电位的基准,其值为0.
B.甘汞电极(Calomel electrode)
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0 .1 m o l/L 甘 汞 电 极标 准 甘 汞 电 极 (N C E ) 饱 和 甘 汞 电 极 (S C E )
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②氧化还原电极。由惰性金属电极及溶液 中氧化还原离子对组成,其特点是氧化还 原 对 不 能 迁 越 相 界 面 。 如 Pt | Fe2+ , Fe3+ 等。
③气体电极。由惰性金属电极及氧化还 原对中一个组元为气体组成的,如氢电 极Pt|H2(g)|H+(aq)。
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已知方程 GHT(G)
T
根据 △G=-zFE ,可以将反应的熵△S变写成
S(G)zF (E)
T
TP
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反应焓变 HzF(TE) zFE T P
( E ) 为电池电动势和温度系数 T P
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第二节 电化学热力学
通过对一个体系的热力学研究能够知道一个 反应在指定的条件下可进行的方向和达到的限度。 化学能能够转变为电能或者电能转变为化学能, 如果一个化学反应设置在电池中进行,通过热力 学研究同样能够知道该电池反应对外电路所能提 供的最大能量,这就是电化学热力学的主要研究 内容。
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Ox + ne Red
E步骤
Red + X Ox + Y C步骤
如Fe3+/Fe2+电对催化H2O Nhomakorabea的还原反应:
1/2H2O2 + e → OHFe3+ + e → Fe2+ Fe2+ + 1/2H2O2 → Fe3+ + OH-
11
⑷ECE机理: 氧化还原物种先在电极上发生电子迁移反应,接着又发生化学反应,在此两反 应后又发生电子迁移反应,生成产物。如对亚硝基苯酚的还原。
应用电化学
第二章 电化学基础理论
主讲人:
应用化学教研室
1
主要内容
1 电化学体系的基本单元 2 电化学过程热力学 3 非法拉第过程及电极/溶液界面的性能 4 法拉第过程和影响电极反应速度的因素 5 物质传递控制反应绪论 6 电化学研究方法介绍
2
第四节 法拉第过程和影响电极反应速度的因素
学习要求: ⑴掌握7种电极反应的类型; ⑵掌握CE、EC催化和ECE机理; ⑶掌握电极反应速度的影响因素和电极极化概念; ⑷理解Bulter--Volmer方程及其意义。
D. 生成新相 C. 电子转移
18
A.液相传质:反应粒子(离子、分子)向电极表面附近液层迁移。
B.前置转化:反应粒子在电极表面或附近液层中进行电化学反应前的某种转 化过程,如:吸附、络离子配位数变化等。无电子参与反应,反应速度与电 极电位无关。
C. 电化学反应:反应粒子在电极/溶液界面上得失电子,生成还原反应或氧化反 应产物。
Ox + ze Red X 如对氨基苯酚在Pt电极上的氧化反应。包括:随后质子转移过程的有机物还原, 金属电极在含配合物介质中的阳极溶解等。
10
⑶催化机理:
是EC机理中的一种,在电极和溶液之间的电子传递反应,通过电极表面物种氧化 -还原的媒介作用,使反应在比裸电极低的超电势下发生,属于“外壳层”催化。 通式:
⑴简单电子迁移反应:
电极/溶液界面的溶液一侧的氧化、还原物种借助于电极得到或失去电子,生成 还原或氧化态的物种而溶解于溶液中,电极在经历氧化-还原后其物理化学性质、 表面状态等不发生改变。
如Pt电极上: Fe3+ + e → Fe2+
5
⑵金属沉积反应:
溶液中的金属离子从电极上得到电子还原为金属,附着于电极表面,电极表面 状态与沉积前相比发生了变化。如Cu电极上Cu2+的还原。
重点: ⑴电子迁移反应机理分析 ⑵电极极化
难点: ⑴电极反应机理 ⑵动力学方程的推导及处理方法。
3
• 电极的作用:
• 1、电极是电子的传递介质
• 2、电极是电化学反应的地点。相当于多相 催化的催化剂。
1.4.1.电极反应种类
基本电荷迁移过程: 阴极还原过程:Ox + ne → Red 阳极氧化过程:Red → Ox + ne
12
1.4.3. 电化学实验及电化学电池的变量 电化学电池:原电池、电解池。 影响电极反应速度的主要变量:
⑴电极变量:材料、表面积(A)、几何形状、表面状态 ⑵物质传递变量:模型(扩散、对流)、表面浓度、吸附 ⑶溶液的变量:电活性物质的本体浓度(Cox、CR)、其他物质的浓度(电解 质、pH等)、溶剂 ⑷外部变量:温度(T)、压力(p)、时间(t) ⑸电学变量:电势(E)、电流(i)、电量(Q) 见图1.9
13
未知体系研究的一般方法 a.广义概念
激发
体系
b.光谱分光实验
响应
b.电化学实验
14
研究已知体系的电化学方法
将化学物质的变化归结为电化学反应,也就以体系中的电位、电流或电 量作为体系中发生化学反应的量度进行测定的方法
电化学测定方法的优点:
⑴测定简单:可将一般难以测定的化学量直接转变成容易测定的电参数; ⑵测定灵敏度高; ⑶即时性; ⑷经济性。
15
1.4.4. 影响电极反应速度的因素及电极的极化
电极反应:Ox + ze → Red
i dQ dt
dn dQ zF
反应速率(单位时间内生成或消耗物质的量):
v (dnOx dt) (dne dt) dnRe d
dt
i zF
电化学反应速度的大小可以用通过的电流大小表示,由于电极反应是异相,其 反应速度通常用单位面积的电流密度来表示,即:
⑶表面膜的转移反应:
覆盖于电极表面的物种(电极一侧)经过氧化—还原形成另一种附着于电极表 面的物种(氧化物、氢氧化物、硫酸盐等)。比如:铅酸电池中正极的放电反 应,PbO2还原为PbSO4。
PbO2(s) + 4H+ + SO42- + 2e → PbSO4(s) + 2H2O
6
⑷伴随着化学反应的电子迁移反应: 存在于溶液中的氧化或还原物种借助于电极实施电子传递反应之前或之后发生的 化学反应。 ⑸多孔气体扩散电极中的气体还原或氧化反应: 气相中的气体溶解于溶液后,在扩散到电极表面,借助于气体扩散电极得到或 失去电子,提高了电极过程的电流效率。
7
⑹气体析出反应: 某些存在于溶液中的非金属离子借助于电极发生还原、氧化反应产生气体而析 出。反应过程中,电解液中非金属离子的浓度不断减小。
⑺腐蚀反应: 金属的溶解反应,金属或非金属在一定的介质中发生溶解,电极的重量不断减轻。
8
1.4.2. 伴随着化学反应的电子迁移反应机理 ⑴CE机理: 在发生电子迁移反应之前发生了化学反应,通式为:
X Ox + ne Red
在给定的电势区间,溶液中反应物的主要存在X是非电活性物种,不能在电极上 进行电化学反应,必须通过化学步骤先生成电活性物种Ox,再在电极上进行电荷 传递,例如:
金属配离子的还原,弱酸性缓冲溶液中H2的析出、异构化为前置步骤的有机电极 过程等。
9
⑵EC机理: 在电极/溶液界面发生电子迁移反应后又发生了化学反应。通式为:
v
i zFA
j zF
(J——A/cm2)
16
• 1、 电极过程一般包括三个串联的过程: • (1)电化学过程 电极表面的电子迁移 • (2)传质过程 发生在电极表面附近薄层
电解质中
• (3)化学过程 物质的氧化还原反应
一般电极过程:
E. 液相传质
A.液相传质
B. 前置转化
E. 液相传质 银氰络离子阴极还原过程示意图
D.随后转化:反应产物在电极表面或表面附近液层中进行电化学反应后转化过 程。如:反应产物自电极表面脱附、反应产物复合、分解、歧化等。