电化学原理

电化学原理ElectrochemicalTheory2•课程代码：S1073010•课程性质：主干必修课•学时数：80•教材：郭鹤桐、姚素薇。《基础电化学及其测量》化学工业出版社，2009•参考教材：•查全性等。《电极过程动力学导论》（第3版），科学出版社.2002，6•小泽昭弥[日]。《现代电化学》，化学工业出版社，1995•杨辉,卢文庆编。《应用电化学》，科学出版社，2001•田昭武。《电化学研究方法》，科学出版社，1984•《ElectrochemicalMethodsFundamentalsandApplications》/byBardA.J.,FaulknerL.R.,2003byJOHNWILEY&SONS,INC.(邵元华等译)3相关期刊：1.ElectrochimicaActa2.JournalofElectroanalyticalChemistry3.ElectrochemistryCommunications4.BioelectrochemistryCorrosionScience5.JournalofPowerSources6.JournalofAppliedElectrochemistry7.Electroanalysis8.JournalofSolidStateElectrochemistry9.JournalofElectrochemicalSociety10.SolidStateIonics11.Platingandsurfacefinishing12.MetalFinishing4课程的性质、目的与任务•本课程为电化学的基础理论课，是整个电化学学科的基础。目的是让学生通过本课程的学习掌握电化学学科的基本概念、原理及研究方法，为后续课程的学习奠定基础。5教学内容•电化学基础知识（绪论）•电解质溶液的性质及理论（第2章）•平衡的电化学体系（第3章）•双电层结构及其特性（第4章）•电极过程动力学（第5-10章）第一章ChapterOne绪论introduction•电化学的产生及发展概述，1.1～1.4•电的基础知识，1.5•电化学体系的电传导，1.6•法拉第定律(Faraday’slaw)。1.71.1什么是电化学（Electrochemistry）•“电化学是研究电能和化学能相互转换的科学”。电池：化学能→电能电解：电能→化学能PrimaryCellElectrolysis导体Conductor8•金属腐蚀过程中，一种金属从电解质中置换出另一种金属(eg.Fe从CuSO4中置换出Cu)•化学能↔热能•电泳现象……属于电化学范畴，但无电能与化学能相互转化9能导电的物体称为导体。•第一类导体（电子导体-electronicconductor）：依靠电子传送电流。金属，石墨，金属氧化物（eg.PbO2,Fe3O4）等•第二类导体（离子导体-ionicconductor）：离子的移动实现导电。熔融电解质，固体电解质，电解质溶液等10电化学是研究两类导体形成的带电界面现象及其上所发生之变化的科学。电化学研究对象应当包括三部分：电子导体，离子导体，两类导体的界面及其上所发生的一切变化。电子导体----物理学----引用结论离子导体----电解质溶液理论----经典电化学两类导体界面及变化----近代电化学111.2电化学的产生和发展122000年前古巴格达电池“巴格达电池”(BaghdadCell)1936年发现于伊拉克首都巴格达郊外，是一个小陶罐，罐内装着铁棒，铁棒悬在铜质圆柱体内，外层覆盖着沥青。131780年“动物电”现象•1780年意大利解剖学家伽伐尼发现:铁制解剖刀能使铜盘里的蛙腿肌肉抽缩，1791年发表关于“动物电”现象的论文，揭开了电化学研究的序幕。141799年伏打电堆伏特(1745-1827)出生于意大利科莫一个富有的天主教家庭里。伏特在四十五岁生日后不久，读到了伽伐尼1791年的文章，这促使他去作出了最大的发明和发现。他开始还有些犹豫，但不久他就开始了工作，用伏特的话说，他实验的内容“超出了当时已知的一切电学知识，因而它们看来是惊人的”。起初他同意伽伐尼用蛙做莱顿瓶的观点，但几个月后，他开始怀疑蛙主要是一种探测器，而电源则在动物之外。15•伏特对这个问题进行了更深入的研究，使他发明了伏特电堆，这是历史上的神奇发明之一。他把许多对圆形的铜片和锌片相间地叠起来，每一对铜锌片之间放上一块用盐水浸湿的麻布片。这时只要用两条金属线各与顶面上的锌片和底面上的铜片焊接起来，则两金属端点就会产生几伏的电压。如果把铜片换成银片，则效果更好。这个伟大的成就是在他达到相当高龄（五十五岁）时得到的，它立即引起所有物理学家的欢呼。•1801年他去巴黎，在法国科学院表演了他的实验，当时拿破仑也在场，他立即下令授予伏特一枚特制金质奖章和一份养老金，于是伏特成为拿破仑的被保护人。16•1800年Nichoson和Carlisle进行了电解水研究；•1800年Brug-natelli进行了电镀银的研究；•1833年Faraday：法拉第定律(奠定了电化学研究的基础）；171845年左右Faraday(E)和Whewell(E)提出了有关电化学的术语（电极、阴离子、阳离子、阴极、阳极、电解等）；•1879Helmholtz：双电层平板电容器模型•1887Arrhenius：电离学说•1889Nernst：电极电位理论，能斯特公式•1905Tafel：塔菲尔公式(电流密度与氢过电位的关系)•1907Lewis：活度概念•1923-1924Butler：可逆电极电位理论18•1924Stern：双电层模型•1933Frumkin：双电层对电荷移动过程(活化过程)的影响•1932-1938Frumkin和Wagner：混合电位的速度论研究方法•1950年以前热力学手段研究电极过程•1950年以后弗鲁姆金电极过程动力学•1960年以后量子电化学•1990年以后纳米电化学电化学的产生和发展小结•2000年前古巴格达电池（BaghdadCell）•1799年伏打电堆（A.Voltapile）•1833年法拉第定律（Faraday’sLaw）•1950年电极过程动力学（Frumkin）•60年代开始量子电化学(Quantum)•90年代开始纳米电化学(Nano)201.3电化学研究领域简介1.电化学理论TheoreticalElectrochemistry2.化学电源ChemicalPower3.电镀、化学镀Electroplating,ChemicalPlating4.腐蚀、表面防护技术Corrosion,Protection5.工业电解Electrolysis6.化学/电化学传感器Sensor7.电催化剂设计Electro-catalyzer218.半导体电化学（光电化学）Semiconductor(Photoelectronic)9.有机电化学Organic10.生物电化学Biological11.环境电化学Environmental12.高温电化学HighTemperature13.电化学制备的新材料PreparationnewMaterial–ａ.高功能金属和金属合金–ｂ.高功能电化学聚合物–ｃ.电极和电活性物质的分子设计14.超声电化学Ultrasonic15.超级电化学电容器SuperCapacitor22国际电化学学会InternationalSocietyofElectrochemistry(ISE)•Division1,ANALYTICALELECTROCHEMISTRY分析电化学：分析过程中实验和理论•Division2,BIOELECTROCHEMISTRY生物电化学•Division3,ELECTROCHEMICALENERGYCONVERSIONANDSTORAGE电化学能量转换与储存：能量互变•Division4,ELECTROCHEMICALMATERIALSSCIENCE电化学材料科学：新型材料的研制23•Division5,ELECTROCHEMICALPROCESSENGINEERINGANDTECHNOLOGY电化学过程与工艺：反应堆的设计•Division6,MOLECULARELECTROCHEMISTRY分子电化学：电极过程机理，合成过程•Division7,PHYSICALELECTROCHEMISTRY物理电化学：电极过程模型，计算机模拟24电化学应用的发展•在经历了两个世纪以后,电化学科学的发展和成就举世瞩目,无论是基础研究还是技术应用,从理论到方法,都有许多重大突破。•电化学在能源、表面处理、金属腐蚀与防护、化工、冶金、机械、电子、航空航天、轻工、仪表、医学、材料、有机合成、环境保护等领域获得了广泛应用。•电化学科学的发展,推动了世界科学的进步,促进了社会经济的发展,对解决人类社会面临的能源、交通、材料、环保、信息、生命等问题,已经作出并正在作出巨大的贡献。251.3.1电化学理论•电极过程动力学•电化学测量•量子电化学•纳米电化学26电化学噪声分析（EN）27测定微分电容曲线的装置281.3.2化学电源化学电源是把化学能转换成电能的装置。发生空间分开的氧化还原反应，且进行氧化还原反应所需电子必须由外线路传递。化学电源对外电路供给能量的过程称为放电过程，反之称为充电过程。化学电源按工作性质和储存方式可分为：一次电池（原电池）primarycell二次电池（可充电池、蓄电池）secondarycell储备电池storagecell燃料电池fuelcell29电动汽车(EV)30燃料电池•美国加利福尼亚的燃料电池发电厂311.3.3电沉积、电镀、化学镀•金属电沉积（electrodeposition)过程是指简单金属离子或络离子通过电化学方法在固体（导体或半导体）表面上放电还原为金属原子附着于电极表面，从而获得一金属层的过程。（e.g.电解MnO2)•电镀(electroplating)是金属电沉积的一种，它是用电化学方法在固体表面沉积一薄层金属或合金的过程。•电镀不同于一般电沉积的过程在于：镀层必须很好的附着于物体表面，且镀层均匀致密，孔隙率少。•化学镀是一种不需要外部电源，而靠溶液中的还原剂使金属离子还原为金属而沉积于制品表面的化学还原过程。32•镀层分类：–防护性镀层–防护-装饰性镀层–功能性镀层•耐磨减震镀层•热加工用镀层•导电性镀层•磁性镀层•抗高温氧化镀层•修复性镀层331.3.4腐蚀和表面防护技术•金属表面由于外界介质的化学或电化学作用而造成的变质及损坏现象或过程称为腐蚀。腐蚀作用中最严重的是电化学腐蚀。•电化学腐蚀：金属与一种电解质接触，可能在金属/电解质界面发生阳极溶解过程（氧化），此时若有界面上相应的阴极还原过程配合，则电解质起离子导体的作用，金属本身为电子导体，构成一种自发电池，使金属阳极溶解持续进行，产生腐蚀现象。34电化学防腐方法•金属镀层•阳极保护(铝合金当储水桶外壳或集热器外框)•阴极保护(钢筋混凝土路、桥上的防腐)•缓蚀剂保护351.3.5工业电解与电化学工程•工业电解是采用电化学系统，利用电极和电解质界面上发生的电化学反应进行高纯物质的制造、材料表面处理的过程。广义的电解过程还包括电镀、电加工等表面处理过程，以及二次电池的充电过程；狭义的电解只涉及制造出物质的电分解过程。36•许多用化学法不能生产的物质，往往可用电解合成法生产。37氯碱工业•电解食盐水溶液生产烧碱（NaOH)、氯气、氢气，是电解工业中生产规模最大的，称为氯碱工业。381.3.6化学/电化学传感器(Sensor)•能感受（或响应）规定的被测量信号，并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。•传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路所组成。39•分类：–物理传感器–化学传感器•电化学式、•光学式、•热学式、•质量式等40电化学式传感器分类1.电位型传感器(potentiometricsensor)。将溶于电解质溶