电化学研究-1

第六章电化学一、教学基本要求：1、掌握电解质溶液的导电机理及导电性能的表示方法和测定法，导体、原电池和电解池、正负极、阴阳极等基本概念；了解离子迁移数的概念、意义及常用测定方法。

2、掌握电导、电导率及摩尔电导率的概念及它们与离子浓度的关系、离子独立运动定律以及有关计算和应用，电导测定的应用。

3、掌握德拜－休克尔极限公式及其使用，熟悉电解质溶液的平均活度、平均活度系数、平均浓度和离子强度的定义及计算方法，强电解质溶液理论的大意、离子氛的概念。

4、熟悉可逆电池（原电池）的表示方法，会根据化学反应设计原电池，并能根据电池符号写出电极反应和电池反应。

5、熟悉可逆电池电动势和电极电位的测定原理；电极－溶液界面电势差及用盐桥消除液体接界电势的原理。

了解标准电极电位的意义、测定方法及其重要的应用。

6、掌握电池电动势和电极电位的Nerst方程，计算所给电池的电极电势和电池电动势及重要应用。

7、掌握电化学与热力学之间的关系；能够利用电化学手段计算热力学函数的变化值，也能用热力学数据计算电极电位。

8、熟悉电解过程的有关基本概念和基本原理；电极产生极化的原因。

膜电位的概念和意义。

了解浓差电池的基本概念。

9、了解电化学在生物学中的应用。

二、基本概念和重要公式（一）、电化学基本概念1、导体导体是指能够导电的一类物体。

根据物体导电机制的不同，导体又分为电子导体和离子导体两种。

电子导体也称第一类导体，通过自由电子的定向迁移来实现其导电目的。

电子导体的特点是导电过程中本身不发生变化，且温度升高，导电能力降低。

离子导体也称第二类导体，依靠正、负离子的定向迁移来实现其导电目的。

离子导体的特点是导电过程中有化学反应发生，且温度升高，导电能力增强。

2、原电池和电解池实现化学能和电能之间相互转化的装置称为电化学装置，或简称电池。

其中，将电能转化为化学能的装置称为电解池；将化学能转化为电能的装置叫原电池。

发生氧化反应放出电子的电极称为阳极，而发生还原反应获得电子的电极称为阴极。

实验一碳钢在碳酸铵溶液中的极化曲线【目的要求】1. 掌握准稳态恒电位法测定金属极化曲线的基本原理和测试方法。

2. 了解极化曲线的意义和应用。

3. 掌握电化学分析仪的使用方法。

【实验原理】1. 极化现象与极化曲线为了探索电极过程机理及影响电极过程的各种因素，必须对电极过程进行研究，其中极化曲线的测定是重要方法之一。

我们知道在研究可逆电池的电动势和电池反应时，电极上几乎没有电流通过，每个电极反应都是在接近于平衡状态下进行的，因此电极反应是可逆的。

但当有电流明显地通过电池时，电极的平衡状态被破坏，电极电势偏离平衡值，电极反应处于不可逆状态，而且随着电极上电流密度的增加，电极反应的不可逆程度也随之增大。

由于电流通过电极而导致电极电势偏离平衡值的现象称为电极的极化，描述电流密度与电极电势之间关系的曲线称作极化曲线，如图2-19-1所示。

图2-19-1 极化曲线AB：活性溶解区；B：临界钝化点；B-C：过渡钝化区；C-D：稳定钝化区；D-E：超(过)钝化区（1）AB段为活性溶解区，此时金属进行正常的阳极溶解，阳极电流随着电势的正移而不断增大。

（2）BC段为过渡钝化区（负坡度区）。

随着电极电势变正达到B点之后，此时金属开始发生钝化，随着电势的正移，金属溶解速率不断降低，并过渡到钝化状态。

对应于B点的电极电势称为临界钝化电势ψ钝化，对应的电流密度叫临界钝化电流密度i钝化。

（3）CD段为稳定钝化区，在此区域内金属的溶解速率降低到最小值，并且基本上不随电势的变化而改变，此时的电流密度称为钝态金属的稳定溶解电流密度。

（4）DE段为超钝化区。

此时阳极电流又重新随电势的正移而增大，电流增大的原因可能是高价金属离子的产生，也可能是O2的析出，还可能是两者同时出现。

金属的阳极过程是指金属作为阳极时在一定的外电势下发生的阳极溶解过程，如下式所示：M→M n+＋n e此过程只有在电极电势正于其热力学平衡电势时才能发生。

阳极的溶解速度随电位变正而逐渐增大，这是正常的阳极溶出，但当阳极电势正到某一数值时，其溶解速度达到最大值，此后阳极溶解速度随电势变正反而大幅度降低，这种现象称为金属的钝化现象。

第1章 绪论1.1 电化学的发展与研究对象1.1.1 电化学的产生及其在历史上的作用1、电化学的产生电化学的产生与发展始于18世纪末19世纪初。

1791年意大利生物学家伽伐尼（Galvanic ）从事青蛙的生理功能研究时，用手术刀触及解剖后挂在阳台上的青蛙腿，发现青蛙腿产生剧烈的抽动。

分析原因后认为，由于肌肉内有电解液，这时是偶然地构成了电化学电路。

这件事引起了很大的轰动。

当时成立了伽伐尼动物电学会，但未搞明白。

1799年伏打（Volta ），也是意大利人，他根据伽伐尼实验提出假设：认为蛙腿的抽动是因二金属接触时通过电解质溶液产生的电流造成的。

故将锌片和银片交错迭起，中间用浸有电解液的毛呢隔开，构成电堆。

因电堆两端引线刺激蛙腿，发生了同样的现象。

该电堆被后人称为“伏打电堆”，是公认的世界历史上第一个化学电源。

2、电化学在历史上的作用伏打电堆的出现，使人们较容易地获得了直流电。

科学家们利用这种直流电得以进行大量的研究，大大地扩展了人们对于物质的认识，同时促进了电化学的发展，也极大地促进了化学理论的发展。

1）扩展了对于物质的认识。

最初人们认为自然界中有33种元素，实际上其中有一部分是化合物。

如：KOH 、NaOH 、NaCl 、O H 2等。

1800年尼克松（Nichoson ）、卡利苏（Carlisle ）利用伏打电堆电解水溶液，发现有两种气体析出，得知为2H 和2O 。

此后人们做了大量的工作：如电解4CuSO 得到Cu ，电解3AgNO 得到Ag ，电解熔融KOH 得到K 等等。

10年之内，还得到了Na 、Mg 、Ca 、Sr 、Ba 等，这就是最早的电化学冶金。

10年时间，人们所能得到或认识的元素就已多达55种。

没有这个基础，门捷列夫周期表的产生是不可能的。

2）促进了电学的发展1819年，奥斯特用电堆发现了电流对磁针的影响，即所谓电磁现象。

1826年，发现了欧姆定律。

这都是利用了伏打电堆，对于电流通过导体时发生的现象进行了物理学的研究而发现的。

电化学研究方法总结及案例目录1.交流阻抗法1.1交流阻抗法概述1.2电化学极化下的交流阻抗13浓差极化卞的交流阻抗1.4复杂体系的交流阻抗2.电化学暂态测试方法2.1电化学暂态测试方法概述2.2电化学极化卞的恒电流暂态方法2.3浓差极化下的恒电流暂态方法2.4电化学极化卞的恒电位暂态方法2.5浓差极化卞的恒电位暂态方法2.6动电位打描法3.原位（insitu）电化学研究方法4.案例参考文献1 •交流阻抗法1.1交流阻抗法概述交流阻抗法是指小幅度对称正弦波交流阻抗法。

就是控制电极交流电位（或控制电极的交流电流）按小幅度（一般小于10毫伏）正弦波规律变化，然后测量电极的交流阻抗，进而计算电极的电化学参数。

由于使用小幅度对称交流电对电极极化，当频率足够高时，以致每半周期所持续的时间很短，不致引起严重的浓差极化及表面状态变化。

而且在电极上交替地出现阳极过程的阴极过程，即使测量讯号长时间作用于电解池，也不会导致极化现阶段彖的积累性发展。

因此这种方法具有暂态法的某些特点，常称为“暂稳态法”。

“暂态”是指每半周期内有暂态过程的特点，“稳态”是指电极过程老是进行稳定的周期性的变化。

交流阻抗法适于研究快速电极过程，双电层结构及吸附等，在金属腐蚀和电结晶等电化学研究中也得到广泛应用。

研究电化学体系的阻抗图谱,获得电极反应体系的控制步骤和动力学参数、反应机理以及各因素的影响规律，方法有两种：1）等效电路方法理论：建立各种典型电化学体系在不同控制步骤下的等效电路，理论推导出其阻抗图谱。

测试方法：由阻抗图谱对照理论画出对应的等效电路。

优缺点：此法直观，但一个等效电路可能对应不止1个等效电路。

2）数据模型方法理论:建立各种典型电化学体系在不同控制步骤下的理论数据模型，理论计算出其阻抗图谱。

测试方法：由阻抗图谱对照理论获得数据模型。

优缺点：此法准确，但实际电化学体系复杂模型难以建立，正在发展中。

阻抗、导纳与复数平面图1）阻抗:Z=E/I而如正弦交流电压E = Emsincot等，E、I、Z均为角频率co （=2nf）或频率f的函数。

化学实验中的电化学实验电化学是研究电与化学之间相互作用的学科，它在化学实验中扮演着重要的角色。

电化学实验是一种通过电流作用于化学体系进行实验研究的方法，可以用于分析物质的性质、反应机制以及合成新物质等。

本文将介绍电化学实验的基本原理、常见实验方法以及它们在化学研究中的应用。

一、电化学实验的基本原理电化学实验的基本原理是基于电解和电池的原理。

电解是指通过外加电压使电解液中发生化学反应，将化学能转化为电能的过程。

而电池则是通过化学反应产生电能的装置。

在电化学实验中，通过连接电解池和电池，我们可以通过观察电流的变化来了解电化学反应的特性和机理。

二、常见的电化学实验方法1. 电解实验电解实验是最常见的电化学实验之一。

它通过在电解池中通电，引发电解液中的化学反应。

常见的电解实验有电解水制氢气和氧气的实验，电解氯化钠制取氯气和氢氧化钠等实验。

这些实验可以通过观察电解液的气体产生、电极的气味变化等来揭示反应机制和产物性质。

2. 电化学分析实验电化学分析实验是应用电化学方法进行定量和定性分析的重要手段。

例如，电化学滴定法可以通过测定反应物的氧化还原电位来确定物质的浓度。

电化学分析实验也广泛应用于环境监测、食品安全检测等领域。

3. 电极制备实验电极是电化学实验的重要组成部分。

制备合适的电极材料对于实验结果的准确性和稳定性至关重要。

电极制备实验包括金属电极的沉积、碳纳米管电极的合成等。

这些实验可以通过改变电极材料和制备条件来探索电极性能的影响因素。

三、电化学实验在化学研究中的应用1. 电化学合成反应电化学合成反应是一种通过电流驱动化学反应进行合成的方法。

通过控制电流密度、反应时间等条件，可以实现对产物形态、结构和纯度的精确控制。

电化学合成反应在有机合成、材料合成等领域具有广泛应用。

2. 电化学催化电化学催化是指通过电流作用下改变化学反应速率和选择性的现象。

电化学催化在燃料电池、电解水制氢等领域发挥着重要作用。

通过电化学实验可以研究催化剂的性能、反应机制以及提高催化性能的方法。