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電化學是研究電和化學反應相互關係的科學。電和化學反應相互作用可通過電池來完成,也可利用高壓靜電放電來實現(如氧通過無聲放電管轉變為臭氧),二者統稱電化學,後者為電化學的一個分支,稱放電化學。由於放電化學有了專門的名稱,因而,電化學往往專門指「電池的科學」。

1電化學

電化學是研究兩類導體形成的帶電界面現象及其上所發生的變化的科學。如今已形成了合成電化學、量子電化學、半導體電化學、有機導體電化學、光譜電化學、生物電化學等多個分支。電化學在化工、冶金、機械、電子、航空、航天、輕工、儀錶、醫學、材料、能源、金屬腐蝕與防護、環境科學等科技領域獲得了廣泛的應用。當前世界上十分關注的研究課題, 如能源、材料、環境保護、生命科學等等都與電化學以各種各樣的方式關聯在一起。
電化學(Electrochemistry),電池由兩個電極和電極之間的電解質構成,因而電化學的研究內容應包括兩個方面:一是電解質的研
原電池和電解池的比較

  原電池和電解池的比較

究,即電解質學,其中包括電解質的導電性質、離子的傳輸性質、參與反應離子的平衡性質等,其中電解質溶液的物理化學研究常稱作電解質溶液理論;另一方面是電極的研究,即電極學,其中包括電極的平衡性質和通電后的極化性質,也就是電極和電解質界面上的電化學行為。電解質學和電極學的研究都會涉及到化學熱力學、化學動力學和物質結構。
電解池
電解池是將電能轉化為化學能的裝置。
電解是使電流通過電解質溶液(或熔融的電解質)而在陰、陽兩極引起氧化還原反應的過程。電解是使電流通過電解質溶液(或熔融的電解質)
發生電解反應的條件:
①連接直流電源
②陰陽電極 陰極:與電源負極相連為陰極
陽極:與電源正極相連為陽極
③兩極處於電解質溶液或熔融電解質中
④兩電極形成閉合迴路
電解過程中的能量轉化(裝置特點):
陰極:一定不參與反應 不一定惰性電極
陽極:不一定參與反應 也不一定是惰性電極
電解結果:
在兩極上有新物質生成
電解池電極反應方程式的書寫:陽極:活潑金屬—電極失電子(Au,Pt 除外);惰性電極—溶液中陰離子失電子
註:失電子能力:活潑金屬(除Pt Au)>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根(NO3 ->SO4 2-)>F-
陰極:溶液中陽離子得電子
註:得電子能力:Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H2O(水)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+(即活潑型金屬順序表的逆向)
對應關係:陽極連電源正極,陰極連電源負極(可見高中教材*《化學選修·四》)
規律:鋁前(含鋁)離子不放電,氫(酸)后離子先放電,氫(酸)前鋁后的離子看條件。
四類電解型的電解規律①電解水型(強鹼,含氧酸,活潑金屬的含氧酸鹽),pH由溶液的酸鹼性決定,溶液呈鹼性則pH增大,溶液呈酸性則pH減小,溶液呈中性則pH不變。電解質溶液復原—加適量水。
②電解電解質型(無氧酸,不活潑金屬的無氧酸鹽,),無氧酸pH變大,不活潑金屬的無氧酸鹽PH不變。電解質溶液復原—加適量電解質。
③放氫生鹼型(活潑金屬的無氧酸鹽),pH變大。電解質溶液復原—加陰離子相同的酸。
④放氧生酸型(不活潑金屬的含氧酸鹽),pH變小。電解質 溶液復原—加陽離子相同的鹼或氧化物。

2發展

在1663年,德國物理學家 Otto von Guericke 創造了第一個發電機,通過在機器中的摩擦而產生靜
不鏽鋼管件電化學拋光

  不鏽鋼管件電化學拋光

電。這個發電機將一個巨大的硫球放入玻璃球中,並固定在一棵軸上製成的。通過搖動曲軸來轉動球體,當一個襯墊與轉動的球發生摩擦的時候就會產生靜電火花。 這個球體可以拆卸並可以用作電學試驗的來源。
在17世紀中葉,法國化學家 Charles François de Cisternay du Fay 發現了兩種不同的靜電,即同種電荷相互排斥而不同種電荷相互吸引。 Du Fay 發布說電由兩種不同液體組成:"vitreous" (拉丁語」玻璃「),或者正電;以及"resinous", 或者負電。這便是電的雙液體理論,這個理論被17世紀晚期Benjamin Franklin 的單液體理論所否定。
1781年,查爾斯.奧古斯丁 庫侖 (Charles-Augustin de Coulomb) 在試圖研究由英國科學家Joseph Priestley 提出的電荷相斥法則的過程中發展了靜電相吸的法則。
1791年伽伐尼發表了金屬能使蛙腿肌肉抽縮的「動物電」現象,一般認為這是電化學的起源。1799年伏打在伽伐尼工作的基礎上發明了用不同的金屬片夾濕紙組成的「電堆」,即現今所謂「伏打堆」。這是化學電源的雛型。在直流電機發明以前,各種化學電源是唯一能提供恆穩電流的電源。1834年法拉第電解定律的發現為電化學奠定了定量基礎。
19世紀下半葉,經過赫爾姆霍茲和吉布斯的工作,賦於電池的「起電力」(今稱「電動勢」)以明確的熱力學含義;1889年能斯特用熱力學導出了參與電極反應的物質濃度與電極電勢的關係,即著名的能斯脫公式;1923年德拜和休克爾提出了人們普遍接受的強電解質稀溶液靜電理論,大大促進了電化學在理論探討和實驗方法方面的發展。
20世紀40年代以後,電化學暫態技術的應用和發展、電化學方法與光學和表面技術的聯用,使人們可以研究快速和複雜的電極反應,可提供電極界面上分子的信息。電化學一直是物理化學中比較活躍的分支學科,它的發展與固體物理、催化、生命科學等學科的發展相互促進、相互滲透。
在物理化學的眾多分支中,電化學是唯一以大工業為基礎的學科。它的應用主要有:電解工業,其中的氯鹼工業是僅次於合成氨和硫酸的無機物基礎工業;鋁、鈉等輕金屬的冶鍊,銅、鋅等的精鍊也都用的是電解法;機械工業使用電鍍、電拋光、電泳塗漆等來完成部件的表面精整;環境保護可用電滲析的方法除去氰離子、鉻離子等污染物;化學電源;金屬的防腐蝕問題,大部分金屬腐蝕是電化學腐蝕問題;許多生命現象如肌肉運動、神經的信息傳遞都涉及到電化學機理。應用電化學原理髮展起來的各種電化學分析法已成為實驗室和工業監控的不可缺少的手段。

3研究內容

電池由兩個電極和電極之間的電解質構成,因而電化學的研究內容應包括兩個方面:一是電解質的研究,即電解質學,其中包括電解質的導電性質、離子的傳輸性質、參與反應離子的平衡性質等,其中電解質溶液的物理化學研究常稱作電解質溶液理論;另一方面是電極的研究,即電極學,其中包括電極的平衡性質和通電后的極化性質,也就是電極和電解質界面上的電化學行為。電解質學和電極學的研究都會涉及到化學熱力學、化學動力學和物質結構。

4材料保護

根據電化學腐蝕原理,依靠外部電流的流入改變金屬的電位,從而降低金屬腐蝕速度的一種材料保護技
sp500電化學打標機

  sp500電化學打標機

術。按照金屬電位變動的趨向,電化學保護分為陰極保護和陽極保護兩類。①陰極保護。通過降低金屬電位而達到保護目的的,稱為陰極保護。根據保護電流的來源,陰極保護有外加電流法和犧牲陽極法。外加電流法是由外部直流電源提供保護電流,電源的負極連接保護對象,正極連接輔助陽極,通過電解質環境構成電流迴路。犧牲陽極法是依靠電位負於保護對象的金屬(犧牲陽極)自身消耗來提供保護電流,保護對象直接與犧牲陽極連接,在電解質環境中構成保護電流迴路。陰極保護主要用於防止土壤、海水等中性介質中的金屬腐蝕。②陽極保護。通過提高可鈍化金屬的電位使其進入鈍態而達到保護目的的,稱為陽極保護。陽極保護是利用陽極極化電流使金屬處於穩定的鈍態,其保護系統類似於外加電流陰極保護系統,只是極化電流的方向相反。只有具有活化 - 鈍化轉變的腐蝕體系才能採用陽極保護技術,例如濃硫酸貯罐、氨水貯槽等。

5分離方法

利用電化學手段分離溶液中的金屬離子、有機分子的方法,共分四類:
汞陰極電解分離法
H□在汞陰極上被還原時,有很大的超電壓,所以在酸性溶液中可以分離掉一些容易被還原的金屬離子,使一些重金屬(如銅、鉛、鎘、鋅)沉積在汞陰極上,形成汞齊,同時保留少量不容易被還原的離子,如鹼金屬、鹼土金屬、鋁、鐵、鎳、鉻、鈦、釩、鎢、硅等。
電滲析法
液體中的離子或荷電質點能在電場的影響下遷移。由於離子的性質不同,遷移的速率也不同,正負電荷移動的方向也不同。當在電池的兩極加上一個直流電壓時,可以把一些有機物的混合物分離。如臨床實驗中常用此法研究蛋白質,將試樣放在一個載器上,外加電場后,荷電質點沿著載器向電荷相反的電極遷移,因它們移動的速率不同而分離,一般能把血清蛋白分成五部分。改進實驗技術可使濃縮斑點的寬度達到25微米左右,然後進行電滲析,可將血清蛋白分成二十個很清晰的部分。

6分析法

基於溶液電化學性質的化學分析方法。電化學分析法是由德國化學家C.溫克勒爾在19世紀首先引入分析領域的,儀器分析法始於1922年捷克化學家 J.海洛夫斯基建立極譜法 。電化學分析法的基礎是在電化學池中所發生的電化學反應。電化學池由電解質溶液和浸入其中的兩個電極組成,兩電極用外電路接通。在兩個電極上發生氧化還原反應,電子通過連接兩電極的外電路從一個電極流到另一個電極。根據溶液的電化學性質(如電極電位、電流、電導、電量等)與被測物質的化學或物理性質( 如電解質溶液的化學組成 、濃度、氧化態與還原態的比率等)之間的關係,將被測定物質的濃度轉化為一種電學參量加以測量。
根據國際純粹化學與應用化學聯合會倡議,電化學分析法分為三大類:①既不涉及雙電層,也不涉及電極反應,包括電導分析法、高頻滴定法等。②涉及雙電層,但不涉及電極反應,例如通過測量表面張力或非法拉第阻抗而測定濃度的分析方法。③涉及電極反應,又分為兩類:一類是電解電流為0,如電位滴定;另一類是電解電流不等於0,包括計時電位法、計時電流法、陽極溶出法、交流極譜法、單掃描極譜法、方波極譜法、示波極譜法、庫侖分析法等。

7學科應用

在物理化學的眾多分支中,電化學是唯一以大工業為基礎的學科。它的應用分為以下幾個方面:①電解工業,其中的氯鹼工業是僅次於合成氨和硫酸的無機物基礎工業、耐綸66的中間單體己二腈是通過電解合成的;鋁、鈉等輕金屬的冶鍊,銅、鋅等的精鍊也都用的是電解法;②機械工業要用電鍍、電拋光、電泳塗漆等來完成部件的表面精整;③環境保護可用電滲析的方法除去氰離子、鉻離子等污染物;④化學電源;⑤金屬的防腐蝕問題,大部分金屬腐蝕是電化學腐蝕問題;⑥許多生命現象如肌肉運動、神經的信息傳遞都涉及到電化學機理;⑦應用電化學原理髮展起來的各種電化學分析法已成為實驗室和工業監控的不可缺少的手段。

8電化學保護

油田油水分離器分離成氣(上部)、原油(中部)、水(下部,佔分離器一半的液位)的重要設備。但分離器內部結構複雜,油田採油開發後期油井平均含水率在85%左右,故分離器內底部一半以上的部位處在分離出的污水介質中,腐蝕問題非常嚴重。
  以前對分離器內壁一般採用犧牲陽極陰極保護方法,但分離器內壁溫度較高,內壁沉積水的成分複雜,水質有可能呈酸性或鹼性。所以犧牲陽極保護年限較短,一般不到半年即消耗完。犧牲陽極保護還存在保護死角。另一方面,犧牲陽極陰極保護電位無法測量,保護電流無法調節,保護年限的長短無法預知。
  油水分離器內壁的外加電流陰極保護方法。以鈦基管狀混合金屬氧化物陽極為輔助陽極固定在分離器底部的水相中一定高度的支架上,採用銀/氯化銀參比電極或高純鋅參比電極。本方法安裝方便,使用壽命長(可達10年以上),保護電位均勻,保護電流輸出可調。
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