电化学理论基础
《电化学基础》课件
电化学反应速率
总结词
电化学反应速率描述了电化学反应的快 慢程度，是衡量反应速度的重要参数。
VS
详细描述
电化学反应速率与参与反应的物质的浓度 、温度、催化剂等条件有关。在一定条件 下，反应速率可由实验测定，对于一些特 定的电化学反应，也可以通过理论计算来 预测其反应速率。
反应速率常数
总结词
反应速率常数是描述电化学反应速率的重要参数，它反映了电化学反应的内在性质。
详细描述
反应速率常数与参与反应的物质的性质、温度等条件有关。在一定条件下，反应速率常数可以通过实验测定，也 可以通过理论计算得到。反应速率常数越大，表示该反应的速率越快。
反应机理
总结词
电化学反应机理是描述电化学反应过程中各步骤的详细过程和相互关系的模型。
详细描述
电化学反应机理可以帮助人们深入理解电化学反应的本质和过程，从而更好地控制和优化电化学反应 。不同的电化学反应可能有不同的反应机理，同一电化学反应也可能存在多种可能的反应机理。 Nhomakorabea05
电化学研究方法
实验研究方法
01
重要手段
02
实验研究是电化学研究的重要手段，通过实验可以观察和测量电化学 反应的过程和现象，探究反应机理和反应动力学。
03
实验研究方法包括控制电流、电位、电场等电学参数，以及观察和测 量电流、电位、电导等电化学参数。
04
实验研究需要精密的实验设备和仪器，以及严格的操作规范和实验条 件控制。
01
02
03
电池种类
介绍不同类型电池的制造 过程，如锂离子电池、铅 酸电池、镍镉电池等。
电池材料
阐述电池制造过程中涉及 的主要材料，如正负极材 料、电解液、隔膜等。
应用电化学 第一章 电化学理论基础 [兼容模式]
![应用电化学 第一章 电化学理论基础 [兼容模式]](https://img.taocdn.com/s3/m/1a185cf2770bf78a65295440.png)
两个特征：
1．分区进行。即氧化、还原反应可以分别在阳极 和阴极进行，反应中涉及的电子通过电极和外电路传 递。
2．“电极/溶液”界面附近的电场对电极反应的 活化作用。在一定范围内通过改变电极电势，可以连 续地改变界面电场的强度和方向，并在相应范围内随 意的和连续的改变电极反应的活化能和反应速度。换 言之，在“电极/溶液”界面上，我们有可能在一定 范围内随意地控制反应表面的“催化活性”与反应条 件。所以说，电极过程是一种很特殊的异相催化反应。
恒温恒压下荷电粒子i从α相转移到β相 ÌGiα→β = μiβ- μiα + Zie0(φβ - φ α)
平衡时： μiβ + Zie0φβ = μiα + Zie0φ α
μ
β
i
=
μ
α
i
两相间建立平衡电势
电化学研究对象
电化学体系由两类导体共同完成电流的 传递，导体间电流传递任务的交接是在电极 界面上完成，途径为电极反应： 例如：Cu2++2e-→ Cu(S)
• 由此可见,研究电极过程动力学的首要目的在于找出整 个电极过程的控制步骤,并通过控制步骤来影响整个电
极过程的进行速度,而这又建立在对电极过程基本历程 的分析和弄清个分步骤动力学特征的基础之上。
电极的极化
处在热力学平衡状态的电极体系,因正、负方向的 反应速度相等,净反应速度等于零.相应的平衡电极电 势可由Nernst公式计算.当有外电流通过时,净反应速 度不等于零,即原有的热力学平衡受到破坏,致使电极 电势偏离平衡电势,这种现象在化学上称为电极的“极 化现象” 。
第一章 电化学理论基础(1)
Nernst 公式(方程)
O + ze = R
E E0
0'
RT aO RT CO ln E 0' ln zF aR zF CR
E 称为形式电势 a=C
Double layers are characteristic of all phase boundaries 1V, 1nm, the field strength (gradient of potential) is enormous - it is of the order 107 V/cm. The effect of this enormous field at the electrodeelectrolyte interface is, in a sense, the essence of electrochemistry!
Electrolytic cell
Positive electrode
Negative electrode
Cathode
Anode
Anode
Cathode
电池
电解水
1.1 电化学体系的基本单元
1.1 电化学测量的基本知识
学习电化学测量的基本方法如下：
挠动信号
未知
响应信号
判断 分析
已知
对“未知”施加挠动信 号
1.2 电化学过程热力学
• 影响因素： 法拉第定律是科学中最准确的定律之一， 不受温度、压力、电解质浓度、电极材料 和溶质性质等因素影响，适用于电解池及 原电池过程。
离子的电迁移
离子的电迁移现象
电化学池：
anode cathode
原电池(Galvanic Cell)：化学能 电能 电解池(Electrolytic Cell)：电能 化学能 + + -
电化学总结知识点
电化学总结知识点电化学动力学研究了电化学反应的动力学过程，包括反应速率、电流-电压关系等内容。
其中，电极上的电化学反应速率由扩散和传质等方面的效应决定，电化学动力学理论可以帮助我们理解电极上反应速率与电压、电流等参数之间的关系，并且为电化学反应的动力学行为提供了理论基础。
另一方面，电化学平衡是指在电化学反应中，电极和电解质溶液之间的平衡状态，包括电极电位、电解质浓度等。
电化学平衡理论可以帮助我们理解电极上反应的机理及其与溶液中离子浓度的关系，进而帮助我们控制电化学反应的过程。
电化学热力学则是研究了电化学反应的热力学过程，包括电解物质的电位、电化学反应的热效应等。
电化学热力学理论可以帮助我们理解电化学反应的热力学行为，为电化学反应的热效应提供理论基础。
电化学的研究对于理解和应用化学反应具有重要的意义。
例如，在电池领域，电化学理论可以帮助我们优化电池结构和电极材料，提高电池的能量密度和循环寿命；在电解领域，电化学理论可以帮助我们设计高效的电解工艺，提高生产效率和降低能耗。
因此，深入研究电化学理论对于提高化学反应的效率和控制化学反应的过程具有重要的意义。
在电化学研究中，有一些重要的概念和原理是我们需要了解的。
以下是电化学的一些重要知识点及其理论基础：1. 电位和电势电位是指电化学反应发生时，在电极表面形成的电势差，它是电极反应进行的驱动力。
在电化学研究中，电位是一个重要的参量，它可以帮助我们理解电化学反应进行的动力学过程。
而电势则是指电位在空间中的分布，它是电场强度的一个重要指标。
2. 极化和去极化极化是指在电化学反应进行过程中，电极表面因反应物质的吸附、氧化还原等原因而发生的电位变化。
而去极化则是指通过外部电源或其他手段使电极恢复到原来的状态。
极化和去极化是电化学实验中的重要现象，它们可以影响电极反应的速率和稳定性。
3. 扩散和传质扩散是指在电解液中，离子或分子的运动过程，它是影响电极反应速率的一个重要因素。
第1章 电化学理论基础4
Xinjiang university
S
表面
Rs
mass transport
本体
R*
ia / zFA mR [cR cR ] (1.63)
cR (i il ,a ) / zFAmR (1.65)
il ,a zFAmR cR
*
(1.64)
cR / cR 1 i / il ,a
(1.52)
S
*
(1.66)
c / c 1 (i / i )
s Ox
c (il i ) / zmOx FA
（1.59）
12
对可逆电化学反应的稳态极化曲线
kc mass + ne O* Rs ka transport transport s c RT eq 0 ln O s nF cR * s * s i zFmO (cO cO ) zFmR (cR cR ) i * cOx s cOx nFmOx s i * cR cR zFmR
—还原峰电流密度正比于电活性物种的浓度，正比于扫描 速率和扩散系数的平方根。故其重要应用是分析测定反应 物的浓度。
23
循环伏安法是研究电化学体系很方便的一种 定性方法，对于一个新的体系，很快可以检测到 反应物（包括中间体）的稳定性，判断电极反应 的可逆性，同时还可以用于研究活性物质的吸附 以及电化学-化学偶联反应机理。
电气化学中的理论与应用
电气化学中的理论与应用电化学是研究电与化学变化相互联系的学科，而电气化学则是在电化学基础上发展而来的一个分支，它不仅包含了电化学基础理论，还结合了电工学、材料学等学科的知识，具有广泛的应用前景。
本文将就电气化学中的理论和应用做一些浅显的介绍。
一、电气化学的基础理论1. 奥姆定律奥姆定律可以很好地解释电化学中的电势差。
它指出，两点之间的电势差等于这两点之间的电流和电阻的乘积。
即E = I*R，其中E表示电势差，I表示电流强度，R表示电阻。
在电化学中，电势差是指两个电极间的电势差，它是反应的驱动力。
如果电极的电势差为正，那么反应将会自发地进行；反之，如果电势差为负，反应则不会进行。
因此，电势差是控制反应进行的重要参数。
2. 离子传递离子在电化学反应中的传递也是一个重要的理论问题。
离子流动可以通过扩散或迁移进行。
扩散是指离子在浓度差驱动下的传递，而迁移则是指离子在电场驱动下的传递。
离子传递的速度可以通过离子迁移数字来衡量。
离子迁移数字是指，在单位电场下，离子的运动速度与电场的比值。
它可以通过维斯特迁移方程推导出来：v = -F*D*z/C，其中v表示离子迁移速度，F表示法拉第定数，D表示扩散系数，z表示离子电荷数，C表示电场强度。
3. 极化和腐蚀在电化学反应中，极化和腐蚀也是两个重要的问题。
极化是指电极表面的化学反应导致电极电势的变化，它可以分为阳极极化和阴极极化。
阳极极化通常是由于离得最近的离子消耗被耗尽而导致的，而阴极极化则是由于还原剂的消耗被耗尽而导致的。
腐蚀则是指合金材料在特定条件下经过化学反应导致材料表面的损失。
腐蚀的发生可以通过液体中氧化还原电位的变化来解释。
二、电气化学的应用1. 电化学能源电化学能源是指通过电化学反应来储存和释放能量的技术。
其中最常见的就是锂离子电池。
锂离子电池由正极、负极和电解液组成。
当电池接通电路时，正极产生锂离子，而负极则通过还原反应捕获这些锂离子。
在放电过程中，这些锂离子则会返回正极，发生氧化反应并释放出电子。
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。
应用电化学第一章 电化学理论基础
应是均一平滑、洁净且容易清洁。
❖工作电极：导电的固体或液体
❖根据研究的性质确定电极材料
❖常用的“惰性”固体电极材料是 玻碳(GC)、铂、金、银、铅和导 电玻璃
❖采用固体电极时，为了保证实验的 重现性，必须建立合适的电极预处 理步骤。
❖在液体电极中，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 .
相对于研究体系, 参比电极是一个已知电 势的接近于理想化的不极化的电极。
❖参比电极上基本没有电流通过，用于测定 研究电极的电极电势。
❖在控制电位实验中，因为参比半电池保持 固定的电势，因而加到电化学池上的电势 的任何变化值直接表现在工作电极/电解质 溶液的界面上。
❖实际上，参比电极起着既提供热力学参比， 又将工作电极作为研究体系隔离的双重作 用。
电 解质(electrolyte)
(3) 固体电解质. 具有离子导电性的晶态或非 晶态物质，如聚环氧乙烷和全氟磺酸膜 Nafion膜及ß -铝氧土(Na2O·ß -Al2O3)等。
(4) 熔盐电解质: 兼顾(1)、(2)的性质，多用于 电化学方法制备碱金属和碱土金属及其合 金体系中。
溶剂：
除熔盐电解质外，一般电解质只有溶解 在一定溶剂中才具有导电能力，因此溶剂 的选择也十分重要，介电常数很低的溶剂 就不太适合作为电化学体系的介质。
电解质是使溶液具有导电能力的物质， 它可以是固体、液体，偶尔也用气体， 一般分为四种:
电解质(electrolyte)
(1) 起导电和反应物双重作用。电解质作为电 极反应的起始物质，与溶剂相比，其离子 能优先参加电化学氧化-还原反应.
(2) 电解质只起导电作用，在所研究的电位范 围内不参与电化学氧化-还原反应，这类 电解质称为支持电解质。
《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。
电化学的基础理论与应用研究
电化学的基础理论与应用研究电化学是研究化学反应中的电子转移过程的学科，它在现代化学中占有极其重要的地位。
电化学理论是电化学研究中的核心，而电化学应用则延伸到了燃料电池、电解水制氢、电镀、阴极保护等多个领域。
本文旨在探讨电化学的基础理论与应用研究。
电化学基础理论1. 电解与电极反应电解是指在电解质中施加电场，使其发生电解现象，即产生离子和非离子的化学反应。
电极反应则是指电解过程中两个电极分别参与的反应。
根据电极参与的反应类型不同，电化学反应可以分为氧化还原（或称为红ox化和黑恶化），酸碱、水解等多种类型。
2. 电化学反应动力学电化学反应动力学是研究电化学反应速率和反应机理的学科。
电化学反应速率的大小主要受到活化能和浓度影响。
其中键能断裂形成活化能是化学反应中最主要的动力学过程。
而浓度的影响受到反应物的拟合度和平衡常数等因素影响。
电化学反应机理则是得到电化学反应速率大小和机理分析的关键步骤。
3. 电化学热力学电化学热力学是一门探索热力学的应用学科，它用来研究电化学反应过程中能量变化以及反应动力学过程中能量均衡的变化。
判断一个电化学反应的可行性以及反应体系所对应的电动势，离子活度、反应物量、摩尔浓度、标准电极电势等因素都起着关键作用。
电化学应用研究1. 燃料电池燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的器件。
它将氢和氧气反应生成水，并在该反应过程中释放出电能。
随着能源问题日益受到关注，燃料电池逐渐成为航空、交通、电信、照明等领域的荣誉掌门人。
2. 电解水制氢电解水制氢是一种利用电能分解水，将水的氢气进行收集和储存的过程。
它可以作为一种高效、环保的氢气制备方法，因此被广泛用于燃料电池、锂电池等领域。
3. 电镀电镀是一种利用电化学的原理，在材料表面上形成一层金属或化合物薄层的方法。
由于其制备简单，并且可以提高材料抗腐蚀性，电镀广泛应用于采矿、机械、汽车、电子等行业。
4. 阴极保护阴极保护一般是指在金属结构的阴极区域，维持一定电位，使金属受到保护，从而避免腐蚀或退化。
电化学基础 知识总结
电化学基础知识总结电化学是研究化学变化伴随着电流流动的科学，是化学和物理学相结合的交叉学科。
在电化学中主要研究电解质溶液中的化学反应如何与电流相关联的互相制约和互相作用。
本文将对电化学基础知识进行总结。
1. 电致化学反应电化学反应是指在电解质溶液中，电子在电极之间移动导致的物质转化过程。
在电化学反应中，电解质溶液中的离子在电极上发生氧化还原反应，并且伴随着电流的流动。
电化学反应可分为两种基本类型：电解和电池。
- 电解：电解是指在外加电压下，化学反应势超过标准电压时发生的非自发反应。
通过外加电压，电解质溶液中的正离子被迅速氧化到阳极，负离子被迅速还原到阴极，形成新的化合物。
- 电池：电池是指两种或多种电解质在不同的电极上发生氧化还原反应，通过电子转移产生电流流经外部电路。
电池可分为原电池和电解池两种形式。
2. 电解质和非电解质电解质是指能够溶解在水或其他溶剂中，形成带电离子的物质。
根据电解质的溶解程度，可将其分为强电解质和弱电解质两种类型。
- 强电解质：完全离解的电解质，溶解后产生的离子数量多，如盐酸（HCl）溶液和硫酸（H2SO4）溶液。
- 弱电解质：未完全离解的电解质，溶解后产生的离子数量少，比如乙酸（CH3COOH）溶液和水合氨（NH4OH）溶液。
非电解质是指不能在溶液中形成离子的物质，例如葡萄糖和乙醇。
3. 电极与电解槽电极是指被导通电流的物体或物质，在电化学反应中起到提供或接收电子的作用。
电解槽是电化学实验中用来装置电极和电解质溶液的容器。
常用的电极材料包括铂、金、银和铜。
- 阳极：在电解质溶液中，电流从阳极进入。
通常，氧化反应发生在阳极，阳极是电子的来源。
- 阴极：在电解质溶液中，电流从阴极流出。
还原反应通常发生在阴极，阴极是电子的接收者。
4. 电解液与电动势电解液是指溶解了电解质的溶液。
电解液的电动势（E）是指通过电解液导通电流时，在电解槽中产生的电势差。
电动势是电化学反应能产生的电能。
电化学研究方法介绍
应 用 电 化 学
2.暂态 （1）在暂态阶段，电极电势、电极表面的吸附 状态以及电极/溶液界面扩散层内的浓度分布等 都可能与时间有关，处于变化中。 （2）暂态的电流： 法拉第电流： 由电极/溶液界面的电荷传递反应所产生， 可用来计算电极反应的量。 非法拉第电流： 由双电层的结构改变引起，通过非法拉第电 流可以研究电极表面的吸附和脱附行为，测定电 极的实际表面积。
应 用 电 化 学
五、光谱电化学方法
1.光谱电化学（Spectroelectrochemistry)) 通常以电化学技术为激发信号，在检测电极过程 信号的同时，可以检测大量光学的信号，获得电极/ 溶液界面分子水平的，实时的信息。 2.光谱电化学的种类： ①红外光谱电化学法 ②紫外可见光谱电化学法 ③拉曼光谱电化学法
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应 用 电 化 学
2.扩散控制下的电位阶跃法实验结果的处理 （1）i—t关系（计时电流法）
当反应开始前只有氧化态物Ox而不存在 还原态物种Red时，i—t关系可由Cottrell方程 1/ 2 * 给出： nFADO X cO X (1.74) i( t ) i ( t )
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应 用 电 化 学
二、电位扫描技术—循环伏安法 1.循环伏安法
指电势从原始电位E0开始，以一定的速度V扫 描到一定的电势E1后，再将扫描方向反向进行扫 描到原始电势E0 (或再进一步扫描到另一电势 E2），然后在E0和E1之间进行循环扫描。 其施加电势和时间的关系为： E=E0-Vt
d
1/ 2 1/ 2
t
（2）计时电量法： 指在电势阶跃实验中将通过电极/溶 液界面的总电量作为时间函数进行记录， 得到了相应的电量Q—t的响应。
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。
电化学的应用概况
电化学的应用概况0809401072 陈亚鹏一.电化学的理论基础电化学主要是研究电和化学能之间的互相转化以及转化过程中相关规律的科学。
能量大转变需要一定点条件，即要提供一定的装置和介质。
下图简单表明了电化学的基本原理：1833年Faraday根据多次实验结果总结出了Faraday定律，即通电于电解质溶液之后，（1）在电极上物质发生化学变化的物质的量与同入的电荷量成正比：（2）若将机构电解池串联，通入一定的电荷量，在各个电解池的电极上发生化学变化的物质的量都相等。
此定律为电化学的定量研究和以后的电解工业奠定了理论基础。
1893年Nersnt根据热力学的理论提出了可逆电池的计算公式，即Nernst方程，表示电池的电动势欲参与电池反应的各种物质的性质、浓度以及外在条件的关系，为电化学的平衡理论的发展做出了突出贡献。
二．电化学的应用生产上的需要推动这电化学的发展，电化学工业在今天已经成为国民经济的重要组成部分。
而电化学在生产过程中的低污染、高效率使得越来越多的生产者与科研工作者青睐于电化学。
1.电化学在工业生产中的应用电化学在制备许多基本的化工成品有着广泛的应用，许多有色金属以及稀有金属冶炼和精炼都采用电解的方法。
工业上生产铝，在熔融状态下电解2Al2O3 =(熔融，电解，Na3AlF6) 4Al + 3O2↑其中Na3AlF6（冰晶石）是助熔剂，能降低Al2O3的熔点。
氰化亚金钾K[Au(CN)2]电镀业广泛用于电子元器件的电镀, 电子线路板的印制和航空航天电器元件的镀金，生产过程大都采用电化方法。
金锭经高能压片机压制成金片,金片经洗涤后装进钛篮中,放入电解槽内,以金片为阳极,不锈钢为阴极,一定浓度的氰化钾为阳极液,氢氧化钾为阴极液,中间用隔膜隔开,在电流作用下发生电化学反应,金以亚金离子进入阳极电解液(即电解槽中的电解液) ,由于受到隔膜的阻碍,亚金离子不能进入阴极电解液中,而其它离子可以自由通过,这样阴极上无金析出,而只放出氢气,亚金离子便在阳极液中积累起来。
第一章电化学理论基础
第一章电化学理论基础§1.1电化学体系的基本单元电化学体系：由两类不同导体组成，且在电荷转移时不可避免地伴随有物质变化的体系，通常有原电池、电解池、腐蚀电池三大类型。
电化学体系的基本单元：电极电解质溶液隔膜一、电极（electrode)1、电极的定义电极是与电解质溶液或电解质接触的电子导体或半导体，为多相体系，它是实施电极反应的场所。
2、电极的种类一般电化学体系为三电极体系，相应的电极为工作电极、参比电极和辅助电极。
3、工作电极（worsing electrode，简称WE）（1）定义：又称研究电极，是指所研究的反应在该电极上发生。
（2）对工作电极的基本要求（一般化解，也有特殊，如做电源，参与成流反应）a、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，并且能在较大的电位区域中进行测定。
b、电极必须不与溶剂或电解液部分发生反应。
c、电极面积不易太大（如获得较大的电流密度，是产生完善浓差极化的重要因素—极），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等等，（以保证安全、可靠地传导电流；电流在电极上分布不均；起始物质顺利到达；电解产物的排出等）。
（3）工作电极的种类固体：如固体电极玻璃（GC）、铂、金、银、铅和导电玻璃等液体：如汞、汞齐已广泛用于电化学分析中（如极谱）4、辅助电极(comter electrode，简称CE）（1）定义：CE又称对电极，它和工作电极组成回路，使工作电极上电流畅通，以保证所研究的反应在工作电极上发生，但必须无任何方式限制电池观测的响应。
（2）对辅助电极的要求总的来说应使辅助电极的性能一般不显著影响研究电极上的反应，具体要求如下：a、用隔膜将两电极区的溶液隔离开。
b、结构上的要求：CE应具有大的表面积，以使其上的电流密度较小，从而保证外部所加的极化主要作用于工作电极上。
c、CE本身电阻要小，IR降小，极化也小d、对形状和位置也有一定要求。
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》复习思考题参考答案
《应⽤电化学》复习思考题参考答案《应⽤电化学》思考题第⼀章电化学理论基础1．什么是电化学体系？基本单元有那些？（1）由两类不同导体组成，且在电荷转移时不可避免地伴随有物质变化的体系，通常有原电池、电解池、腐蚀电池三⼤类型。
（2）1.电极 2.电解质溶液 3.隔膜2．试举例说明隔膜的作⽤。
隔膜是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。
例如采⽤玻璃滤板隔膜、盐桥和离⼦交换膜，起传导电流作⽤的离⼦可以透过隔膜。
3．试描述现代双电层理论的概要.电极\溶液界⾯的双电层的溶液⼀侧被认为是由若⼲“层”组成的。
最靠近电极的⼀层为内层，它包含有溶剂分⼦和所谓的特性吸附的物质（离⼦或分⼦），这种内层也称为紧密层、helmholtz层或stern层，如图1.5所⽰。
实际上，⼤多数溶剂分⼦（如⽔）都是强极性分⼦，能在电极表⾯定向吸附形成⼀层偶极层。
特性吸附离⼦的电中⼼位置叫内holmholtz层（IHP），它是在距离为x1处。
溶剂化离⼦只能接近到距电极为x2的距离处，这些最近的溶剂化离⼦中⼼的位置称外helmholtz层（OHP）。
⾮特性吸附离⼦由于电场的作⽤会分布于称为分散层（扩散层）的三维区间内并延伸到本体溶液。
在OHP层与溶液本体之间是分散层。
4．什么是电极的法拉第过程和⾮法拉第过程。
电极上发⽣的反应过程有两种类型，法拉第过程和⾮法拉第过程。
前者是电荷经过电极/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时的法拉第过程，其规律符合法拉第定律，所引起的电流称法拉第电流。
后者是在⼀定条件下，当在⼀定电势范围内施加电位时，电极/溶液界⾯并不发⽣电荷传递反应，仅仅是电极/溶液界⾯的结构发⽣变化，这种过程称⾮法拉第过程。
5．试述电极反应的种类和机理。
电极反应种类:（1）简单电⼦迁移反应；(2)⾦属沉积反应;（3）表⾯膜的转移反应;（4）伴随着化学反应的电⼦迁移反应;（5）多孔⽓体扩散电极中的⽓体还原或氧化反应;（6）⽓体析出反应;（7）腐蚀反应电极反应的机理:（1）CE机理：指在发⽣电⼦迁移反应之前发⽣了化学反应，其通式为：X O X+ne RedH2HCHO + H2O C步骤HCHO + 2H+ + 2e →CH3OH E步骤(2) EC机理：指在电极/溶液界⾯发⽣电⼦迁移反应后⼜发⽣了化学反应，其通式为：O X+Ze→Red X如：对氨基苯酚在Pt电极上的氧化反应（3）催化机理a、“外壳层”催化：EC机理中的⼀种，指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，其通式可表⽰如下：X + ne Red E步骤X + Y C步骤如：Fe3+/Fe2+电对催化H2O2的还原反应：1/2H2O2+e→OH-3+2+Fe+ 1/2H2O2→Fe3++ OH-b、“内壳层”催化：也称为化学氧化—还原催化，即当反应物的总电化学反应中包括旧键的断裂和新键的形成时，发⽣在电⼦转移步骤的前、后或其中⽽产⽣了某种化学加成物或某些其它的电活性中间体，总的活化能会被某些“化学的”氧化—还原催化剂所降低。
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测定电容和表面张力的变化是研究双电层结构的
基本手段 ！
39
(1) 微分电容法
Cd dq / dE
1 d d ( -1) d1 1 1
Cd dq
dq
dq C紧 C分
0.1MNaF微分电容曲 线
0.01MNaF微分电容曲 线
40
(2) 电毛细曲线法
储汞瓶
参比电极
毛细管 显微镜
毛细管静电计示意图
电能或化学能不转变为热能而散失——理想状态。
严格地讲，只有由两个可逆电极放在同一种电解液中 所形成的电池，而且通过电池的电流又是无限小的情 况下，才能构成可逆电池。
15
二、电动势
电池的可逆电动势指的是电流趋近于零时，构成原电 池各相界面的电势差的代数和。主要有电极/溶液界面间 的电势差—电极电势；金属接触电势；液体接界电势。
44
四、极化和电极过程
1、极化 对于电极反应：Ox + ze → Red
根据电流的定义和法拉第定律：
i = dQ/dt
dn = dQ/zF
反应速度v可表示式：
v=－(dnOx/dt） = －(dne/dt） = dnRed/dt = i/zF
电极反应是异相的，其反应速度通常用单位面积的电流
密度来描述，即：
v = i/zFA = I/zF
式中：A—电极面积；I—电流密度
45
所以， v f (I ) g()
CE ：辅助电极；WE：工作电极；RE：参比电极
电极电位＝平衡电位
电极电位＝极化电位
46
极化：电流流过电极时电极电位偏离平衡电极 电位的现象。
过电位η：电流流过电极时，电极电位偏离平 衡电位的数值。
Z为电极反应的电子计量系数，(mol电子）·（mol反应）-1
18
2、E～Ka
标准状态下：
rGm ,T,P zE F
而
rGm ,T,P RT ln Ka
E
(RT
/
zF ) ln
K
a
所以，由标准电动势可计算平衡常数
K
a
19
3、E～△rSm～△rHm
由Gibbs-Helmholtz方程，有
r Sm
31
3、Stern模型
32
33
4、BDM模型（考虑吸附溶剂分子的影响）
IHP OHP 分散层
－
＋
特性吸附 的阴离子
－
－
－
＋
－
－
＋
－－
溶剂分子
－
＋
溶剂化
阳离子
＋
＋ －
M
L
x1 x2
BDM双电层区模型示意图
34
35
36
IHP OHP
φ1 φ2 φ
φM
M
L
x1 x2
BDM模型双电层电位分布示意图 37
1、化学可逆性 当有相反方向的电流通过电池时，两极上发生
的电极反应可逆向进行。
如电池 Zn | ZnSO4(xmol/l) || CuSO4(ymol/l) | Cu 放电过程（原电池）
负极
Zn → Zn2+ + 2e
正极
Cu2+ + 2e → Cu
12
总反应式 Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
（2）提供电极反应的场所。
●工作电极：所研究的反应在该电极上发生。 ●工作电极的要求：
●工作电极的种类：
5
●辅助电极：与工作电极组成回路的电极。
●辅助电极上的电极反应是可以设计的： ——以不影响研究电极的反应、不限制体系 电流流动为原则。
●辅助电极与工 作电极最好用隔 膜隔离：
●辅助电极的要
求
6
●参比电极：已知电势；理想不极化；测定研 究电极的电极电势。
若(E / T )=p 0，QR=0，电池不吸热也不放热， 若 (E / T ) p >0，QR >0，电池从环境吸热， 若 (E / T ) p<0，QR <0，电池向环境放热。
21
5、E～△rUm
若体积功为零，则电池反应的能内变化为： rUm QR -Wf ,max zFT (E / T ) p zEF
◆分类：水溶液体系、有机溶剂体系、熔融盐 体系。
◆电解质：固体、液体、气体 分类：导电+反应物；导电（支持电解质）；
固体电解质；熔盐电解质。
9
§1.1.4 电解池的设计与安装 电解池的设 计需注意四 点。
10
11
§1.2 电化学过程热力学
一、电池的可逆性
两层含义：其一是电池反应的“化学可逆性”； 其二是“热力学上的可逆性”。
消除液接电势 ：常使用“盐桥”来尽可能减小液接
电势。用饱和KG溶液装满在一根U形细玻管内（加入
琼胶凝成冻状）即可做成盐桥。
17
§1.2.1 可逆电化学过程的热力学 1、E～△rGT,P
对于可逆电池： rGT , p -Wf ,max nFE
若电池反应进度ξ＝1mol，则上式为
rGm,T , p nFE / zEF
38
三、 微分电容与电毛细曲线
电极上的过程类型： （1）法拉第过程——氧化还原反应； （2）非法拉第过程——双电层充电、吸脱附等
过程，导致电极／溶液界面结构发生变化。
研究双电层结构，须确保在没有法拉第过程发生
的前提下进行——理想极化电极！
对双电层充电，电极／溶液界面的电容和表面张
力将随电位发生变化！
但实际发生的不可逆电解，会由可逆时的吸热变 成不可逆时的放热，必须注意热交换器的选择。
25
§1.3 非法拉第过程及电极／溶液界面的性能 电极上的过程类型：
（1）法拉第过程——氧化还原反应； （2）非法拉第过程——吸脱附等过程， 导致电极／溶液界面结构发生变化。
§1.3.1 电极的电容和电荷
电容器充电： C=q/E
充电过程（电解池）
阳极
Cu→Cu2++2e
阴极
2H+ + 2e → H2↑
总反应式 Cu + 2H+ → Cu2+ + H2↑
该电池不具备化学可逆性。对于化学不可
逆的电池在任何条件下进行的过程，都是热力
学不可逆的。
14
2、热力学的可逆性 电极上通过的电流无限小，电池反应始终在接近
平衡的状态下进行，即电池中能量的转化是可逆的。
等温、等压、环境对系统作功等情形下， 均可作类似推导，得到有关的热力学函数变化 量。
22
§1.2.2 不可逆电化学过程的热力学 实际的电化学过程都是不可逆过程。始
末状态相同，不可逆时，体系的状态函数
rGm , r Hm , r Sm , rUm
保持不变，发生变化的是过程函数W和Q。
23
不可逆放电过程的电功Wi,f为:
Wi,f =-zVF
V——实际端电压
热力学第一定律： U=Q+W
所以，不可逆放电过程的热效应为：
Qi =rUm -W=r Hm +zFV
=zFT (E / T ) p - zF(E-V)
QR - zF (E -V )
第1项：电池可逆放电的热效应； 第2项：由于克服极化、电池内阻等放出的热。 24
不可逆电解过程： Wi,f =zVF
如：在Pt电极上发生的Fe3+ + e → Fe2+
(2)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，此时电极表面状态与沉 积前相比发生了变化。
如：Cu2+ + 2e → Cu
50
（3）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， 它们可能是氧化物、氢氧化物、硫酸盐等。
Qi rUm -W r Hm - zFV -zFT (E / T ) p zFE - zFV -zFT (E / T ) p zF (E -V ) QR zF (E -V )
第1项：电池可逆电解的热效应； 第2项：由于克服电解过程各种阻力放出的热。
实际应用中，电池一般都是放热，可逆电解过 程是可逆电池反应的逆过程，故吸热。
26
电极／溶液的界面性质类似于一个电容器，
界面上的荷电物质能部分地定向排列在界面两
侧。
27
§1.3.2 双电层理论概要 一、双电层的类型及结构模型
1、双电层的形成
－+
－+
－+ M+ － +
－+ ML
－+
－ －
+ +
－+
M
－
L
+
-+ -+ -+ -+
ML
+ -+
+ -+
+ +
-+
+ -+ ML
离子双电层、吸附双电层、偶极双电层
d / dE q
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q=0，零电荷电位 点
q>0
q<0
零电荷电位点： 没有离子双层存在， 界面张力最大。
界面张力最大，WHY？
汞电极表面界面σ、q与E的曲线图
42
d / dE q
Cd dq / dE
-
d 2
dE 2
q Cd d 0
两种方法的比较：
（1）电毛细曲线法利用曲线的坡度求q，微 分电容法利用曲线下方的面积求q，后者的灵敏度 和精确度高于前者；
1、电极电势（固/液）—电极/溶液界面电势：形成可 用双电层原理解释，下一节讲。