第二章--冶金电化学基础
《冶金电化学基础》课件
电化学反应
1
电解反应
电解反应是指通过外加电势将化学反应逆过来进行的过程。
2
电池反应
电池反应是指将化学反应中的能量转化为电能的过程，常见的有原电池和电池组。
3
电化学分析
电化学分析利用电化学方法进行定量分析，包括楼托法、库仑滴定法以及极谱法 等。
电化学腐蚀
1
基本原理
电化学腐蚀是指金属与环境中的电解质发生反应而被破坏，主要受到金属表面的 电位差和电解质中的溶解氧等因素影响。
电化学基础
电荷
电荷是电子或离子携带的基 本粒子，具有正、负两种属 性。
电场
电场是周围空间中存在的电 荷所产生的力场，用于描述 电荷之间的相互作用。
电位
电位是指某一点与参考点之 间的电势差，用来描述电荷 所具有的能量状态。
电流
电流是指单位时间内通过导体的电荷量，是电荷 在导体中流动的结果。
电极
电极是电化学系统中负责传递电荷的部分，可以 分为阳极和阴极。
2
腐蚀产物的性质
腐蚀产物对金属性能的影响是决定腐蚀严重程度的关键因素。
3
腐蚀的种类和防护方法
腐蚀可分为干腐蚀和湿腐蚀，常见的防护方法有表面涂层、电化学防护和合金防 腐等。
金属电沉积
1
电解金属的获得
通过电解法将金属从其化合物中获得，
电镀原理
2
可以实现纯度较高的金属制备。
电镀利用电解质中的金属离子在电极上
析出形成金属镀层的原理。
3
电镀的应用
电镀可以提供金属的保护、改善外观、 增加导电性等功能，广泛应用于制造业 和装饰业。
熔盐电解
基本原理
熔盐电解是在高温下进行的电解过程，通过熔融盐电解质中的离子来实现金属的提取。
冶金物理化学简明教程精品课程课件全册课件汇总
冶金物理化学简明教程精品课程课件全册课件汇总冶金物理化学是一门研究金属材料的结构、性能、加工及应用的学科，它涉及材料科学、物理化学、冶金工程等多个领域。
本教程旨在为物理化学及相关专业的学生和从事冶金工程的工程师提供必要的知识和技能，使其能够在金属材料的制备、加工和应用等方面发挥重要作用。
本教程共分为以下几个章节：第一章金属结构与性质此章将介绍晶体结构、晶格缺陷、晶体生长和金属结构的各种性质，包括晶体结构的分类、晶格缺陷的种类、形成原因及其对金属性质的影响等。
第二章金属的热力学和热力学过程此章将介绍金属及其合金的相变规律，各种相变的热力学分析方法，相图的绘制和应用，金属加工过程中的相变和相变控制等。
第三章金属的电化学行为和腐蚀此章将介绍电化学基础知识、技术和应用，金属腐蚀的分类、机理及其防腐保护措施等。
第四章金属的物理性质和材料化学此章将介绍金属的磁性、光学和其他物理性质，以及材料化学中的分析方法和应用等。
第五章金属加工和热处理此章将介绍金属加工的各种方法，包括变形、淬火、回火等热处理方法，以及在加工过程中控制材料组织和性质的方法。
第六章金属的膜和表面处理此章将介绍金属表面处理的各种方法，包括化学处理、电化学处理、物理处理等，以及膜的制备和性能控制等。
第七章金属的特殊性质和应用此章将介绍金属的特殊性质和应用，包括超导、形状记忆合金、微电子等高科技领域的应用等。
以上为本教程的主要内容概要，通过本教程的学习，将能够掌握金属材料结构、性质和加工等方面的基础知识，从而在金属材料制备、加工和应用等方面发挥重要作用。
本教程具有循序渐进、理论和实践相结合的特点，适合各类物理化学及相关专业学生和冶金工程师使用。
【精品文档】冶金原理
可见，两种电解是有差别的，但它们的理论基础 都遵循电化学规律。 一、电解过程
电解过程是阴、阳两个电极反应的综合。 当直流电通过阴极和阳极导入装有水溶液电解质 的电解槽时，水溶液电解质中的正、负离子便会分别 向阴极和阳极迁移，并同时在两个电极与溶液的界面 上发生还原与氧化反应，从而分别产出还原物与氧化 物。 在电极与溶液的界面上发生的反应叫做电极反应。
H2O+e→H2 + OH— (在碱性介质中) （2b）
O2+2H2O+4e→4OH—
(3)
Mei z+ + zie→Mei
(4)
M h z e(zhzl)e M lh le
(5)
上述电化学过程可以分为三个类型。属于第一类型
的过程有：
（1）在阴极析出的产物，呈气泡形态从电极表 面移去并在电解液中呈气体分子形态溶解；
电解实践表明，任何一个电极反应都不是一步完成的， 而是一个连续的复杂过程。一般说来它包括下列几个过程：
（1）反应离子由溶液本体向双电层外界移动并继 续经双电层向电极表面靠近。这一阶段，在很大程度 上靠扩散速度来实现，扩散则是由于溶质在溶液本体 与双电层外界的浓度差引起的；
（2） 反应离子在电极表面或双电层中进行电极 反应前的转化过程，例如表面吸附或发生化学变化；
电极的平衡电极电位是可以根据电解过程实际发 生的电极反应、电解液组成和温度等条件，按能斯 特公式进行计算，这就是说，某一电解质的理论分 解电压是可以通过计算而知的。
有色金属冶金学
有色金属冶金学前言轻金属：铝、镁、铍、钛、钾、钠、锂、钙、锶、钡等十余种金属重金属：铜、镍、钴、锌、锡、锑、汞等二十余种金属稀有金属：钨、钼、锆、铪、铌、钽、稀土金属等数十种金属贵金属：金、银、铂族金属等几种第一篇轻金属冶金学第一章氧化铝生产1.摩尔比（苛性比）：溶液中Na2O浓度为135g/l，Al2O3为130g/l，则该溶液的摩尔比为MR=(135/130)*(102/62)=1.708。
式中的102和62分别为Na2O和Al2O3的分子量2.拜耳法生产氧化铝的主要工序包括：铝土矿原料准备、熔出、赤泥分离洗涤、分解、氢氧化铝分离洗涤、煅烧、蒸发和苛化3.拜耳法：是直接利用含有大量游离苛性钠的循环母液处理铝土矿，溶出其中氧化铝得到铝酸钠溶液，并用加氢氧化铝种子（晶种）分解的方法，使铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝结晶。
种分母液经蒸发后返回用于溶出铝土矿。
4.铝土矿的溶出及影响因素：铝土矿的溶出通常是在高于溶液常压沸点的温度下用苛性碱溶液处理的化学反应过程，所以也叫“高压（高温）溶出”。
影响因素：铝土矿的矿物成分及其结构；溶出温度；循环母液碱浓度；配料摩尔比；搅拌强度5.单流法、双流法：在溶出流程上可分将循环母液和矿石一起磨制成原矿浆进行预热溶出的“单流法”及仅将一部分循环母液送去磨制矿浆，大部分母液单独预热到溶出温度，再于溶出器内和浓稠矿浆混合进行溶出的“双流法”6.赤泥分离洗涤过程步骤：赤泥料浆稀释；沉降分离；赤泥反向洗涤；溢流控制过滤7.铝酸钠溶液加种子分解：实际上应包括铝酸根离子的分解和氢氧化铝结晶8.含铝矿物的分子式（刚玉、三水铝石、一水铝石、明矾石、霞石）：高岭石Al2O3·2SiO2·2H2O、刚玉Al2O3、三水铝石Al(OH)3、一水铝石AlOOH 、明矾石(K, Na)2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3、霞石(K, Na)2O·Al2O3·2SiO2。
北科大冶金电化学习题
4：简述极化的定义、分类及产生原因。 5：计算：在 1223K 温度下，求出 Al2O3 的分解电压。 2Al (l) + 3/2 O2 = Al2O3(s)
������������ ������������
7：说明阴极过程中氢析出及其过电位的影响，指出如何调控氢析出 过电位？ 8：如何理解熔盐电极电位的异同及电位序？如何以此指导选择电解 质体系？ 9：如何理解熔盐中固态氧化物阴极电脱氧过程？
第五章：
1：简述熔盐与水溶液的区别，并用电化学原理解释为什么有的金属 需要在熔盐中电解制取而不能采用水溶液。 2：简述熔盐电解法制取金属时对电解质的要求，并列举出几种常见 的二元或三元熔盐体系及其在工业上的应用。 3：用电化学原理解释铝精炼原理，并写出阴阳极电极反应。
2：电极电位变化为什么使能导致界面张力发生变化？ 3：什么是电毛细现象？为什么电毛细曲线是具有极大值的抛物线形 状？ 4：什么是零电荷电位？为什么说它不是电极绝对电位的零点？ 5： 为什么在微分电容曲线中， 当电极电位绝对值较大时， 会出现 “平 台”？ 6：什么是特性吸附？哪些类型的物质具有特性吸附的能力？ 7： 画出 Ag/AgNO3(0.002 mol/Kg)电极在零电荷电位 （φ 0= –0.7 V） 和平衡电位时的双电层结构示意图和双电层内离子浓度分布与电位 分布图。 8：简述三种双电层结构模型的优缺点？
传递系数α =0.45 以及 1 mol/L ZnSO4 溶液的平均活度系数γ =0.044。试问 25℃时该电极反应的交换电流密度是多少？
冶金电化学习题
冶金电化学习题绪论1：什么是电化学和冶金电化学？2：冶金电化学的主要任务和研究方法是什么？3：电化学研究的对象和内容各是什么？4：工业电解生产的目的？第一章：电化学热力学1：为什么不能测出电极的绝对电位？我们通常所用的电极电位是如何测试的？答：以锌电极为例，为了测量锌与溶液的内电位，就需把锌电极接入一个测量回路中。
这样将会产生一个新的电极体系。
在电位差计上得到的测量值E将包括三项内电位差，即：E=(φZn-φCu)+(φS-φZn)+(φCu-φZn)=ΔZnφS+ΔSφCu+ΔCuφZn这样本欲测量电极电位ΔZnφS的绝对值，但测量出来的结果却是三个相间电位的代数和。
其中每项都因同样原因无法直接测量出来。
我们通常是以标准氢电极，待测电极为阳极，由于没标准氢电极的电极电位为0，同时采用盐桥消除液接电势等，由测出的电动势得出待测电极的电极电位。
（即对消法）2：说明Fe-H2O体系电位-pH图中各区域可能发生的电极反应。
答：（看图说话）3：通过查询标准电位序解释下图中的钢管为何会得到防作为阴极，腐蚀保护？（比较平衡电势高低）4：说明平衡电位与稳定电位的区别。
答：平衡电位又称为可逆电极电位，它是在电极处于可逆状态相对于一定的电极反应而测出的电极电位；稳定的不可逆电极电位叫做稳定电位，即稳定电位是相对于不可逆电极的，建立稳定电位的条件是在两相界面上电荷转移必须平衡，而物质的转移并不平衡。
5：如何判断可逆电极和不可逆电极。
答：可逆电极就是在平衡条件下进行的，电荷交换与物质交换都处于平衡的电极；不可逆电极是实际的不可逆的电极过程中，构成电极体系的电极不能满足可逆电极条件的电极。
如何判断给定电极是可逆还是不可逆：首先可根据电极的组成做出初步判断，分析物质、电荷的平衡性；为了进行准确的判断，还应该进一步实验证实，即若实验测定的电极电位与活度的关系曲线符合Nernst方程式计算出的理论曲线，即为可逆电极；若测量值与理论计算值偏差很大，超出实验误差范围，就是不可逆电极。
冶金原理讲授教学大纲
冶金原理教学大纲一、课程在培养方案中的地位、目的和任务本课程系冶金专业的主业课程。
本课程是在无机化学、物理化学和冶金概论的基础上进行的。
通过学习，使学生掌握冶金过程的基本原理和使用原理分析问题解决问题的方法，为今后的专业学习和工作实践奠定基础。
二、课程的基本要求1、了解重要基本概念和基本原理的定义和含义；2、能运用所学的理论对基本冶金过程进行定性、定量分析；3、能够初步解决具体的研究问题；4、不要背诵公式定理，而要在理解的基础上学会灵活运用。
各章的基本要求：1.冶金熔体a.冶金熔体的基本概念和特点；三元相图相平衡（初晶面，划分三角形，平衡线、平衡点的性质，冷却过程分析，等温截面图）。
要求能够熟练的进行冷却过程分析，会根据相图选择合理的熔体成分；b.了解各种冶金熔体的结构理论，特别是对于冶金炉渣，要求会应用所学的理论解释相关现象；c.了解冶金熔体的物理化学性质及其变化规律，能够使用公式进行简单的计算，以及正确的查图都区有关参数；d.掌握熔渣的酸碱性、氧化性的表示方法，会用来初步分析问题；了解渣与金属间的反应；e.会读图获取熔体的热力学参数。
2.热力学基础a.了解热力学的性质和应用，严格与动力学相区分；b.掌握吉布斯自由能图的构筑和应用方法、图中线的斜率的变化规律，会计算化合物的分解压。
c.掌握绘制热力学平衡的方法，能够熟练的绘制Me-O系、Me-O-S系的平衡图、电势-pH图，会举一反三建立其他体系的平衡图如Me-Cl-O系的平衡图等；并能用来初步解决具体问题，如解释冶金现象、选择工艺条件等；d.掌握碳的燃烧反应特别是布多尔反应的平衡关系，掌握氢的燃烧反应及C-H-O系的平衡，会进行平衡计算并建立变价金属氧化物用CO和H2、C还原的平衡图；明确熔渣中金属氧化物的还原的对比关系；理解真空还原、金属热还原的原理；e.掌握不同标准状态的换算关系，并会运用活度进行精炼的平衡计算，了解熔析精炼、区域熔炼的原理。
冶金电化学基础
冶金过程中的电解质溶液
电解质溶液的作用
01
电解质溶液在冶金过程中起到传递电荷、维持电荷平衡和提供
反应环境的作用。
电解质溶液的成分
02
电解质溶液通常由含有金属离子的盐类和水组成，其成分和浓
度对冶金过程的电化学行为有重要影响。
电解质溶液的导电性
03
电解质溶液的导电性决定了电流在冶金过程中的传输效率，影
电化学动力学基础
反应速率
电化学动力学研究电极反应的速率和影 响因素。反应速率与电极电位、反应物 质的浓度、温度、催化剂等因素有关。 通过控制这些因素，可以调控电极反应 的速率和选择性。
VS
扩散传质
在电化学系统中，反应物质的扩散传质对 电极反应的速率有重要影响。扩散传质速 率取决于反应物质的浓度梯度、扩散系数 和温度等因素。通过优化传质条件，可以 提高电极反应的效率和选择性。
冶金电化学基础
contents
目录
• 绪论 • 电化学基础知识 • 冶金过程中的电化学现象 • 冶金电化学研究方法与技术 • 冶金电化学在冶金工程中的应用 • 冶金电化学的未来发展趋势与挑战
01 绪论
冶金电化学的定义与重要性
定义
冶金电化学是研究冶金过程中电化学现象、原理及应用的科 学。
重要性
冶金电化学在冶金工业中具有重要地位，它涉及到金属提取 、精炼、合金化等过程的电化学行为，对于提高冶金生产效 率、优化产品质量以及降低能源消耗具有重要意义。
冶金电化学面临的挑战与未来发展趋势
高能耗问题
当前冶金电化学技术存在高能 耗问题，需要研究新型节能技
术和装备，降低能耗成本。
智能化发展
将人工智能、大数据等技术与冶金 电化学相结合，实现智能化生产和 管理，提高生产效率和产品质量。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2.1 电化学的基本概念和理论
2.1.1.3 电化学的发展沿革
1799年 Volta电池 1800年 Nichoson和Carlisle进行电解水的第一次尝试 1826年 Ohm LAW 问世 1833年 Faraday’s LAW问世 1870年 发电机问世 1870’s Helmholtz提出双电层的概念 1887年 电离学说（Arrhenius） 1889年 Nernst方程问世 1905年 Tafel曲线 1940年以来 电极过程动力学成为电化学的主要发展方向 1950’s 经典电化学方法蓬勃发展，全球性电化学研究队伍迅速扩大
电化学这一学科的重要成熟期。 之后，各种电化学测试方法（手段）建立、完善并不断发展。
2.1 电化学的基本概念和理论
2.1.2 法拉第定律
2.1.2.1 两类电化学装置
（1）电解池 电解：电能转化为化学能的过程。 电解池：电能转化为化学能的装臵。
（2）化学电池（或自发电池、原电池） 化学电池：将化学能转化为电能的装臵。
2.1 电化学的基本概念和理论
电化学的研究对象：
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。
电化学内容主要分成三个部分：
离子学----主要研究溶液或熔体中离子的行为，离子平衡、离子的动态 性质（电导、迁移数、扩散、粘度等）及其相互关系；
界面电化学----包括双电层理论、电动现象、吸附、胶体和离子交换等； 电极学----分为可逆电极过程和不可逆电极过程，前者属于热力学范畴，
I/A
2.1 电化学的基本概念和理论 铅酸蓄电池的工作原理：
Pb(s) PbO22H2SO4 (l) 原电 池放电2PbSO4 (l) 2H2O(l) Pb(s) PbO22H2SO4 (l)电解池电解 2PbSO4 (l) 2H2O(l)
2.1 电化学的基本概念和理论
在一般计算中，可近似取 F=96 500 C·mol-1 1 F = 96 485 C·mol-1 = 26.8 A·h·mol-1
2.1 电化学的基本概念和理论
（2) 法拉第定律（Faraday’s Law）
对于溶液中的半反应：
只有自发反应（ΔG<0）才有可能构成化学电池。
2.1 电化学的基本概念和理论
电化学学科应用
原电池技术应用 电解池技术应用 测试方法应用
0.0008 0.0006 0.0004 0.0002 0.0000 -0.0002 -0.0004 -0.0006 -0.0008
-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 E / vs.SCE
半
导 体：10-7~105 （S. m-1）
2.1 电化学的基本概念和理论 2.1.1.2 电化学的研究对象
图2-1 简单的电解池
2.1 电化学的基本概念和理论
图2-1的电路接通后，与直流电源负极连接的金属铜接受了由外电路提 供的电子。溶液中是离子导电，电子不能直接进入溶液传导电流。因此， 由直流电源负极流入左端铜电极的电子，将在两类导体的界面上消失， 即在左端铜电极与溶液界面必然发生消耗电子的过程，即发生还原反应。 同时，依靠着CuSO4溶液中离子的移动，得以将负电荷输送到溶液与右 端铜电极的界面间。因为右端铜电极中又将是电子导电，故在溶液与右 端铜电极的界面间必然存在一个产生电子的过程，即发生金属铜失去电 子的氧化反应：
2.1 电化学的基本概念和理论
左端：Cu2+ ＋ 2e = Cu 阴极还原反应 右端：Cu – 2e = Cu2+ 阳极氧化反应
所以说，为了使电流持续不断地通过离子导体，在两类导体界面上必 然会有得电子或失电子的化学反应发生。将这种在两类导体界面间进行 的有电子参加的化学反应，称为电极反应或电化学反应。
2.1 电化学的基本概念和理论
2.1.2.2 法拉第定律
（1）法拉第常数 F 1 mol电子所带的电量称为法拉第常数，用F表示。
F = NAe0 = 6.022 136 7×1023×1.602 177 33×10-19
= 96 485 C·mol-1
式中， F—法拉第常数（Faraday constant）, C·mol-1 NA—阿伏伽德罗常数(Avogadro’s number)， 6.022 136 7×1023 mol-1 e0—1.602 177 33×10-19 C
二、冶金电化学基础
2.1 电化学的基本概念和理论
电化学 Electrochemistry
电化学： 研究离子、电子、导体、半导体、介电体及本体 溶液中荷电粒子的存在和移动的科学技术。
或 研究电与化学变化之间的关系，以及化学能与电 能相互转化的一门科学。
2.1 电化学的基本概念和理论
2.1.1 电化学的基础知识
2.1 电化学的基本概念和理论
3）正极与负极 化学电池和电解池的两个电极之间存在着电位差。电位较高的电
极是正极，电位较低的是负极。
4）阴极与阳极 电化学中规定，电流通过两类导体界面时，使正电荷由电极流入
溶液的电极叫做阳极，使正电荷自溶液进入电极的电极称为阴极。
通常习惯于把 发生氧化反应的电极称为阳极。 发生还原反应的电极称为阴极。
2.1.1.1 导体
第一类导体：依靠电子传送电流的导体。如金属、石墨、某 些金属氧化物（PbO2、Fe3O4）、金属碳化物（WC）等。
第二类导体：依靠离子的移动来实现导电任务的导体。如以 水或其它有机物为溶剂的电解质溶液、熔融电解质和固体电 解质等。
金0~10-8 （S. m-1）
（3）电化学反应：在电极上进行的有电子得失的反应。
1）电解池中的电化学反应 实现电化学反应所需的能量是由外部电源供给
2）化学电池中的电化学反应 系统自发地将本身的化学自由能变成电能
不论是电解池或化学电池中的电化学反应，都至少包括两种电极 过程----阴极过程和阳极过程，以及电解质相中的传质过程----电迁过 程、扩散过程等。