电化学历史简介

电化学历史简介电化学（Electrochemistry）是研究载流子（电子，空穴，离子）在电化学体系（特别是离子导体和电子导体的相界面及其邻近区域）中的输运和反应规律的科学。从1839年，格罗夫（W.R.Grove）发表了全世界第一篇有关燃料电池研究的报告以来，燃料电池的研究也是电化学领域十分有前途的研究方向。电化学的主要应用领域为：电解、电镀和电池。电化学是研究电和化学反应相互关系的科学。电和化学反应相互作用可通过电池来完成，也可利用高压静电放电来实现，二者统称电化学，后者为电化学的一个分支，称放电化学。因而电化学往往专指“电池的科学”。电池由两个电极和电极之间的电解质构成，因而电化学的研究内容应包括两个方面：一是电解质的研究，即电解质学，其中包括电解质的导电性质、离子的传输性质、参与反应离子的平衡性质等，其中电解质溶液的物理化学研究常称作电解质溶液理论；另一方面是电极的研究，即电极学，其中包括电极的平衡性质和通电后的极化性质，也就是电极和电解质界面上的电化学行为。电解质学和电极学的研究都会涉及到化学热力学、化学动力学和物质结构。1791年伽伐尼发表了金属能使蛙腿肌肉抽缩的“动物电”现象，一般认为这是电化学的起源。1799年伏打在伽伐尼工作的基础上发明了用不同的金属片夹湿纸组成的“电堆”，即现今所谓“伏打堆”。这是化学电源的雏型。在直流电机发明以前，各种化学电源是唯一能提供恒稳电流的电源。1834年法拉第电解定律的发现为电化学奠定了定量基础。19世纪下半叶，经过赫尔姆霍兹和吉布斯的工作，赋于电池的“起电力”(今称“电动势”)以明确的热力学含义；1889年能斯脱用热力学导出了参与电极反应的物质浓度与电极电势的关系，即著名的能斯脱公式；1923年德拜和休克尔提出了人们普遍接受的强电解质稀溶液静电理论，大大促进了电化学在理论探讨和实验方法方面的发展。20世纪40年代以后，电化学暂态技术的应用和发展、电化学方法与光学和表面技术的联用，使人们可以研究快速和复杂的电极反应，可提供电极界面上分子的信息。电化学一直是物理化学中比较活跃的分支学科，它的发展与固体物理、催化、生命科学等学科的发展相互促进、相互渗透。在物理化学的众多分支中，电化学是唯一以大工业为基础的学科。它的应用主要有：电解工业，其中的氯碱工业是仅次于合成氨和硫酸的无机物基础工业；铝、钠等轻金属的冶炼，铜、锌等的精炼也都用的是电解法；机械工业使用电镀、电抛光、电泳涂漆等来完成部件的表面精整；环境保护可用电渗析的方法除去氰离子、铬离子等污染物；化学电源；金属的防腐蚀问题，大部分金属腐蚀是电化学腐蚀问题；许多生命现象如肌肉运动、神经的信息传递都涉及到电化学机理。应用电化学原理发展起来的各种电化学分析法已成为实验室和工业监控的不可缺少的手段。迈克尔·法拉第(MichaelFaraday，1791-1867)19世纪最伟大的实验科学家【简介】英国物理学家、化学家，也是著名的自学成才的科学家。1791年9月22日出生萨里郡纽因顿一个贫苦铁匠家庭。因家庭贫困仅上过几年小学，13岁时便在一家书店里当学徒。书店的工作使他有机会读到许多科学书籍。在送报、装订等工作之余，自学化学和电学，并动手做简单的实验，验证书上的内容。利用业余时间参加市哲学学会的学习活动，听自然哲学讲演，因而受到了自然科学的基础教育。由于他爱好科学研究，专心致志，受到英国化学家戴维的赏识，1813年3月由戴维举荐到皇家研究所任实验室助手。这是法拉第一生的转折点，从此他踏上了献身科学研究的道路。同年10月戴维到欧洲大陆作科学考察，讲学，法拉第作为他的秘书、助手随同前往。历时一年半，先后经过法国、瑞士、意大利、德国、比利时、荷兰等国，结识了安培、盖·吕萨克等著名学者。沿途法拉第协助戴维做了许多化学实验，这大大丰富了他的科学知识，增长了实验才干，为他后来开展独立的科学研究奠定了基础。1815年5月回到皇家研究所在戴维指导下进行化学研究。1824年1月当选皇家学会会员，1825年2月任皇家研究所实验室主任，1833----1862任皇家研究所化学教授。1846年荣获伦福德奖章和皇家勋章。1867年8月25日逝世。【成就】法拉第所研究的课题广泛多样，按编年顺序排列,有如下各方面：铁合金研究（1818－1824）；氯和碳的化合物（1820）；电磁转动（1821）；气体液化（1823，1845）；光学玻璃（1825－1831）；苯的发明（1825）；电磁感应现象（1831）；不同来源的电的同一性（1832）；电化学分解（1832年起）；静电学，电介质（1835年起）；气体放电（1835年）；光、电和磁（1845年起）；抗磁性（1845年起）；“射线振动思想”（1846年起）；重力和电（1849年起）；时间和磁性（1857年起）。法拉第主要从事电学、磁学、磁光学、电化学方面的研究，并在这些领域取得了一系列重大发现。1820年奥斯特发现电流的磁效应之后，法拉第于1821年提出“由磁产生电”的大胆设想，并开始了艰苦的探索。1821年9月他发现通电的导线能绕磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一次实现了电磁运动向机械运动的转换，从而建立了电动机的实验室模型。接着经过无数次实验的失败，终于在1831年发现了电磁感应定律。这一划时代的伟大发现，使人类掌握了电磁运动相互转变以及机械能和电能相互转变的方法，成为现代发电机、电动机、变压器技术的基础。法拉第能够这样坚持10年矢志不渝地探索电磁感应现象，重要原因之一是同他关于各种自然力的统一和转化的思想密切相关的，他始终坚信自然界各种不同现象之间有着无限多的联系。也是在这一思想的指导下，他继续研究当时已知的伏打电池的电、摩擦电、温差电、伽伐尼电、电磁感应电等各种电的同一性，1832年他发表了不同来源的电的同一性论文，用大量实验论证了“不管电的来源如何，它的本性都相同”的结论，从而扫除了人们在电的本性问题认识上的种种迷雾。为了说明电的本质，法拉第进行了电流通过酸、碱、盐的溶液的一系列实验，从而导致1833-1834年连续发现电解第一和第二定律，为现代电化学工业奠定了基础，第二定律还指明了存在基本电荷，电荷具有最小单位，成为支持电的离散性质的重要结论，对于导致基本电荷e的发现以及建立物质电结构的理论具有重大意义。为了正确描述实验事实，法拉第制定了迁移率、阴极、阳极、阴离子、阳离子、电解、电解质等许多概念、术语。在电与磁的统一性被证实之后，法拉第决心寻找光与电磁现象的联系。1845年他发现了原来没有旋光性的重玻璃在强磁场作用下产生旋光性，使偏振光的偏振面发生偏转，此即磁致光效应，成为人类第一次认识到电磁现象与光现象间的关系。1846年他发表了《关于光振动的想法》一文，最早提出了光的电磁本质的思想。他曾设计并不畏艰苦地作过许多实验，试图发现重力和电的关系，寻找磁场对光源所发射光谱线的影响，寻找电对光的作用等等，由于当时实验条件所限，虽未获成功，但他的思想和观点完全正确，均为后人的实验所验证。法拉第是电磁场理论的奠基人，他首先提出了磁力线、电力线的概念，在电磁感应、电化学、静电感应的研究中进一步深化和发展了力线思想，并第一次提出场的思想，建立了电场、磁场的概念，否定了超距作用观点。爱因斯坦曾指出，场的思想是法拉第最富有创造性的思想，是自牛顿以来最重要的发现。麦克斯韦正是继承和发展了法拉第的场的思想，为之找到了完美的数学表示形式从而建立了电磁场理论。法拉第对科学坚韧不拔的探索精神，为人类文明进步纯朴无私的献身精神，连同他的杰出的科学贡献，永远为后人敬仰。【法拉第常数】法拉第常数（F）是近代科学研究中重要的物理常数，代表每摩尔电子所携带的电荷，单位C/mol，它是阿伏伽德罗数NA=6.02214·1023mol-1与元电荷e=1.602176·10-19C的积。尤其在确定一个物质带有多少离子或者电子时这个常数非常重要。法拉第常数以麦可·法拉第命名，法拉第的研究工作对这个常熟的确定有决定性的意义。一般认为此值是96485.3383±0.0083C/mol，此值是由美国国家标准局所依据的电解实验得到的，也被认为最具有权威性。【科研】青少年时代1791年9月22日。法拉第出生在萨里郡纽因顿一个贫苦的铁匠家庭里。5岁时随父母到伦敦。在一所普通的日校读书。13岁时法拉第在书店中当学徒，起初送报，后学装订，工余时间自学化学和电学，并动手做实验，验证书上的内容。他在装订不列颠百科全书时，偶然看到了《电学》这个条目，更加激发了他对科学的热情。1810年2月至第二年9月，听了J.塔特姆所作的十几次自然哲学讲演，并开始参加市哲学学会的学习活动,受到了自然科学的基础教育。1812年2月至4月,又在皇家研究所听了H.戴维的4次化学讲座,每次他都细心笔录，清理成稿，而且热忱地抓住戴维的每个科学观点，转述给市哲学学会的同伴。这年10月法拉第学徒满师，写信给戴维，表示献身科学事业的决心，并随信附上自己记录、装订的《H.戴维爵士讲演录》。1813年3月,经戴维介绍进皇家研究所任实验室助手。同年10月，随戴维去欧洲大陆作科学考察旅行。1815年5月回皇家研究所，在戴维指导下从事化学研究。戴维的广博和深邃的知识，给法拉第以最重要的影响。早期科学工作法拉第的第一篇科学论文曾发表于1816年。从1818年起他和J.斯托达特合作，研究合金钢，首创了金相分析方法。1820年他用取代反应制得六氯乙烷和四氯乙烯。在1820年H.C.奥斯特发现电流能使其周围的磁针偏转以后，引起研究电和磁的关系的热潮。法拉第研究了这方面的问题,并在1821年9月发现通电流的导线能绕磁铁旋转，这是他的第一个重要发现。1823年，他发现了氯气和其他气体的液化方法。1824年1月,法拉第当选为皇家学会会员,1825年2月任皇家研究所实验室主任。同年，发现苯，为芳香族化合物的研究和应用开辟了道路；并开始研究光学玻璃的制造技术。电磁感应的发现和场的概念的诞生从1831年起，法拉第的科学工作进入一个新阶段。早在1824年，他就论证过，既然电对磁有作用，那末磁也应当对电有反作用。经过多次实验,他终于在1831年8月获得成功。他在一个圆形软铁环两边绕上A、B两组线圈,在A组线圈同伏打电池接通或切断的瞬间,B组线圈中会感生出电流，法拉第把这叫做“伏打电感应”(见彩图)。10月又发现，磁铁和导线的闭合回路有相对运动时，回路中会产生感生电流，法拉第称之为“磁电感应”。伏打电感应孕育了变压器的诞生，磁电感应预告了发电机的出现。这两类电磁感应现象的发现为电在未来的大规模应用奠定了基础。这项工作获得了皇家学会的科普利奖章。受电磁感应启示，法拉第直觉地揣测到磁铁周围是一个充满力线的场，感生电流的产生是由于导体切割力线。1832年3月12日，他在文稿中写道:“……使我相信，磁的作用是渐进的，是需要时间的，”“有理由假设，电（压）的感应也是以类似的渐进方式进行的。”这是物理学史上第一次认真地向力的超距作用概念提出的挑战。法拉第电解定律和其他电学实验研究1833年法拉第任皇家研究所富勒化学讲座教授。1832年他发表了《不同来源的电的同一性》一文，用实验证明:“不管电的来源如何，它的本性都是相同的。”1833～1834年，他发现了两条电解定律（后来称为法拉第第一和第二电解定律）。这是电化学的开创性工作，第二定律并且指明了电荷具有最小单位。法拉第电解定律是基本电荷存在的有力证据。正如H.von亥姆霍兹所说:“法拉第定律的最令人惊异的结论也许是：如果我们接受元素物质由原子组成的假说，就不可避免地要做出结论：不论正电和负电，都可以分成单元，其行为如同电的原子。”法拉第还制订了许多电化学术语,并测定了电解1克当量物质所需要的电量为96484库仑,后来这被称为法拉第常数。同年他发现了自感现象。从1834年起，法拉第对伏打电池、静电、电容和电介质的性质进行了大量实验研究。1843年，用冰桶实验证明电荷守恒原理，为了纪念他在静电学方面的工作，电容的实用单位称为法拉。磁致旋光效应和抗磁性现象的发现1845年8月,法拉第