电化学在生活中的应用

电化学在生活中的应用电化学是研究电和化学相互关系的科学。它主要通过原电池和电解池来时现，原电池为化学能转化为电能的反应，电解池为电能转化为化学能转化为电能的反应。电化学与我们的生活息息相关，小的方面看，我们的日常生命活动离不开电化学，航空航天各个领域都离不开电化学。下面将详细进行介绍：原电池是由电极和电解质溶液构成的一个整体，它主要包含以下两种类型。（类型一）（类型二）它们两个在构成上的主要差别为是否有盐桥，在反应速度上类型一更加快速，在相同的时间内能够提供更多的电能。构成原电池需要以下条件：1.存在电子的转移2.构成闭合回路3.存在合适的电解质溶液。在原电池中存在电子的定向移动而形成的电流，点在在外电路中是由负极流向正极的，因此电流是从正极流向负极的，而在内电路中恰恰相反是由正极流向负极的。当我们在外电路上接入用电器时它就能对外供电了，但是每种原电池的电动势都是由其自身所决定的，其电动势为E=EΘ-RTlnJa/ZF。一般情况下原电池的电动势都比较小（例如，普通电池的电动势为1.5V）不能直接用于生活生产，只有某些小型的耗电设备能利用，并且需要串联使用，因此开发较大电动势的原电池是我们需要努力的方向。原电池的组成用图示表达，过于麻烦。为书写简便，原电池的装置常用方便而科学的符号来表示。其写法习惯上遵循如下几点规定：1.一般把负极写在电池符号表示式的左边，正极写在电池符号表示式的右边。2.以化学式表示电池中各物质的组成，溶液要标上活度或浓度（mol/L），若为气体物质应注明其分压(Pa)，还应标明当时的温度。如不写出，则温度为298.15K，气体分压为101.325kPa，溶液浓度为1mol/L。3.以符号“∣”表示不同物相之间的接界，用“‖”表示盐桥。同一相中的不同物质之间用“，”隔开。4.非金属或气体不导电，因此非金属元素在不同氧化值时构成的氧化还原电对作半电池时，需外加惰性导体（如原电池铂或石墨等）做电极导体。其中，惰性导体不参与电极反应，只起导电（输送或接送电子）的作用，故称为“惰性”电极。按上述规定，Cu－Zn原电池可用如下电池符号表示：（-）Zn(s)∣Zn2+(C)‖Cu2+(C)∣Cu(s)（+）①从反应的机理来看构成原电池需要有电子的转移，由此来看需要为氧化还原反应，但是实际上并不是所有的原电池都是由氧化还原反应构成的，还存在一种浓差电池。浓差电池是由于电池中存在浓度差而产生的，并且浓差电池也可分为两种:1.电解质浓度不同而形成的浓差电池2.电极不同而形成的浓差电池。标准的浓差电池的电动势为E=0.另外浓差电池也可分为单液浓差电池和双液浓差电池两大类，其区别方法为：组成电池的两个电极液种类或活度相同，而两个电极的活度或逸度不同（如汞齐电极、气体电极）而组成的电池，称为单液浓差电池；电极相同，电极反应相同，只是电极液的浓度（或活度）不同，称为双液浓差电池。另外腐蚀可分为两种：析氢腐蚀和吸氧腐蚀。其中析氢腐蚀时会释放出氢气，而吸氧腐蚀会吸收如部分氧气。从危害来讲析氢腐蚀的危害更加严重，它是原电池的一种反应，反应速度较快，对设备的危害最大，尤其是在酸雨频发的地区，另外对于炼油厂以及化工厂的危害也尤其巨大。根据原电池的原理人们设计了很多很实用的设备，例如手机电池在放电时就是一个原电池，并且它可以进行充电，只不过在其充电时是一个电解池。另外原电池的原理还被用在了防腐蚀领域，例如：牺牲阳极的阴极保护法，多用于轮船和火车等大型设备。并且可以使金属不形成原电池而减缓其腐蚀速度，例如：1.在钢铁中加入铬和镍制成不锈钢2.刷漆涂油阻断空气不让其形成原电池3.采用表面钝化4.将金属精炼除去杂质等。电解池是将电能转化为化学能的一个装置，构成因素为：外加电源，电解质溶液，电极三部分。其原理与形成条件与原电池相似，可由电极分为惰性电极和活性电极两种，活性电极在电解时阳极本身被氧化，而惰性电极电解质溶液被氧化。简单的总结一下其点解规律大致如下：1.无氧酸是其本身的电解2.含氧酸是水的电解3.可溶性碱是水的电解4.活泼性金属的含氧酸盐也是水的电解5.活泼金属的无氧盐阴极析出氢气并伴随溶液显碱性，阳极析出非金属单质6.不活泼金属的无氧盐是该盐的电解7.中等活动性金属的含氧酸盐阴极析出金属，阳极得到氧气同时酸性提高②电解池在工业生产中的应用更为广泛一些，如氯碱工业就是通过电解氯化钠的水溶液，再进行分离而分别在阳极得到氯气，在阴极得到氢氧化钠溶液的超大型电解池，这也是电解池最直接的应用。另外还有外加电流的阴极保护法也是电解池的应用，通过接入外加电流使被保护的金属连接于电源的负极，作为电解池的阴极而被保护，减缓腐蚀。进行电镀也是一种比较常见的防腐蚀方法待镀物至于阴极，纯净的镀层金属连接于阳极，电解质溶液为镀层金属的熔融物在通电时镀层金属就会附着于待镀物的表面，进而阻断空气与被保护物质的接触。但是由于一般情况下镀层金属为较惰性的金属所以当镀层破损时，被保护物质会与镀层金属形成原电池，并作为原电池的负极而被快速氧化。电化在金属的防腐蚀方面有着极其重要的作用，但是其作用并不仅止于此下面我们来看一下它在其他方面的贡献。在某些条件我们需要纯度特别高的金属，并且在金属纯度达到一定程度后其价值也会比原有物质增长很多，例如：千足金与万足金的价格相差大约50%，但是这通过一般的方法是不能得到的，但是根据电化学的原理与方法我们就能够得到。在金属的精炼时可以采取电解的方法，阳极为需要精炼的金属，阴极为精致的该种金属，电解质溶液为该种金属的熔融物，在通电后就会发生电解反应，阴极就能够得到该种金属的纯净物。这种方法也不是完美的，不可避免的会有一些杂质会附着于阴极表面，尤其是金属活性较差的金属，因此我们要求电解质为纯净金属熔融物。而在阳极会形成阳极泥，阳极泥中多为贵金属。并且我们可以通过电化学方法来实现多组分的分离例如，在镍钴-铜各百分之五十的金属屑中实现分离以硫酸亚铁水溶液为反应介质，双氧水为氧化剂，铅棒为正极，铜板为负极，在一定的pH条件下，通入空气进行搅拌。在上述条件下，镍钴——铜金属屑上的铜先与双氧水发生氧化反应生成氧化铜，氧化铜继续与三价铁离子发生氧化还原反应而溶解，并在负极铜板上发生电沉积，实现了铜与镍钴合金的分离。具体的反应式如下：(1)2Fe2++H202+2H+=2Fe3++2H20(2)Cu+H202=CuO+H20(3)2Fe3++3CuO=Fe203+3Cu“(4)Fe203+6H+=2Fe3++3H20三价铁离子与氧化铜发生反应后，生成三价胶态的氧化铁，继续与体系中的氢离子反应生成游离的三价铁离子，在反应(1)、(3)和(4)之间循环进行，不需补充；由金属上发生的氧化反应(2)和反应(3)所产生的铜离子则进入溶液中，在外加电场的作用下，向阴极迁移并在阴极铜板上发生电沉积而从金属屑上分离出来。具体的电化学反应如下：(5)Cu2++2e=Cu(6)2H20=02+4H++4e阳极上发生水的电解反应而产生部分氧气．生成氧气过程中产生的活性氧原子起到两个方面的重要作用：一是氧化二价铁离子及金属铜，节约部分双氧水；二是活性氧原子对金属屑中的镍钴合金产生强烈的钝化效果，避免了操作条件下镍钻合金的化学溶解，从而提高了分离效率。在反应系统中通入低电压的直流电，避免了化学作用过程中出现的置换现象，使反应系统中的铜离子始终维持在较低的浓度水平，保证了反应(2)、(3)、(5)的顺利进行。③并且在水处理中有重要的应用，尤其是那些难降解、难处理的废水，处理方法主要有以下六种：1.电凝聚-气浮法2.电化学氧化法3.电沉积法4.内电解法5.电渗析法6.电吸附法④此外在机械加工方面电化学也是不可或缺的，尤其是在抛光以及复合光整方面，并且存在以下优点:1.加工范围广，加工效率高，成本低2.加工精度高，表面质量好3.磨具磨损量小4.控制条件好⑤电化学还存在于我们身体的各个角落，神经信号的传导就是通过电-化学信号来进行传递的，其中掺杂着电能与化学能的多次转换。无论怎么看我们的生活都不能缺少电化学。参考文献：①：百度百科-原电池②：百度百科-电解池③：刘慧娟，《化工与材料》，2007,23(7)，应用化学——电化学联合使用的方法分离④：刘贺，《技术探讨》，2015,5(27)，电化学水处理技术综述⑤：张志金《材料导报》，2012,26(13)，电化学机械复合光整加工技术的研究现状