电化学原理及其应用
电化学原理方法与应用
电化学原理方法与应用电化学是研究电子在化学反应中的转移和反应过程的学科。
它的原理方法和应用领域非常广泛，涵盖了能源、环境、材料科学等多个领域。
本文将介绍电化学的基本原理、常用方法以及其在各个领域中的应用。
一、电化学的基本原理电化学的基本原理建立在电荷转移的概念上。
在电化学反应中，电子会在电极表面进行转移，形成氧化和还原两个半反应。
同时，离子也会在电解质溶液中进行迁移。
这个过程是通过电压或电流来促进的。
常见的电化学反应包括腐蚀、电解、电池和电解质溶液的导电等。
二、常用的电化学方法1. 循环伏安法：循环伏安法是研究电化学反应动力学的重要手段。
通过在电极上施加连续变化的电位，可以得到电流-电压曲线，从而揭示反应的机理和动力学参数。
2. 电化学阻抗谱法：电化学阻抗谱法通过测量交流电位和电流之间的相位差和振幅，得到电化学系统的阻抗谱。
通过分析阻抗谱，可以得到电解质溶液的电导率、电极反应速率等信息。
3. 原位电化学扫描探针显微镜：原位电化学扫描探针显微镜（SECM）是一种结合了电化学和显微镜技术的方法。
它可以在原位观察电极表面的反应过程，并通过扫描探针的移动来测量电位、电流等参数。
4. 旋转圆盘电极法：旋转圆盘电极法是研究电极反应速率的一种方法。
通过将电极固定在旋转器上，控制旋转速度和电位，可以得到电流与旋转速度之间的关系，从而计算出电极反应的速率常数。
三、电化学在不同领域的应用1. 能源领域：电化学在能源领域有着广泛的应用，如燃料电池、锂离子电池和太阳能电池等。
这些应用利用电化学反应将化学能转化为电能，实现能源的高效利用。
2. 环境领域：电化学在环境领域中主要用于废水处理和大气污染控制。
电化学氧化和电化学还原技术可以有效降解有机污染物，并去除废水中的重金属离子。
3. 材料科学：电化学在材料科学中的应用主要集中在电化学沉积、阳极氧化和电化学腐蚀等方面。
这些方法可以制备多种功能性材料，并改善材料的表面性能。
4. 生物医学：电化学在生物医学领域的应用包括生物传感、电刺激和组织修复等。
电化学原理及应用
第4章电化学原理及应用（讲授5学时）Chapter 4 Electrochemistry本章教学内容:原电池与电极电势。
能斯特方程式的应用。
E与△r G m的关系。
氧化还原反应方向的判断。
用△r Gθm，Eθ与Kθ估计氧化还原反应进行的程度。
化学电源，蓄电池、新型燃料电池、高能电池、电解、电镀、电抛光、电解加工，金属的腐蚀及防护。
本章教学要求:(1)了解电极电势的概念，能用能斯特方程式进行有关计算(2)能应用电极电势的数据判断氧化剂还原剂的相对强弱及氧化还原反应自发进行的方向和程度。
了解摩尔吉布斯焓变与原电池电动势，标准摩尔吉布斯自由能变与氧化还原反应平衡常数的关系。
(3)了解电解、电镀、电抛光的基本原理,了解它们在工程上的应用。
(4)了解金属腐蚀及防护原理.本章教学重点：a)原电池的组成、半反应式以及电极类型；b)电极电势的概念，能斯特方程式及电极电势的应用；c)电解基本原理及应用，电镀、电抛光、电解加工；d)金属腐蚀及防护原理。
本章习题:P97 1, 2, 5, 6, 7, 9, 10概述电化学反应可分为两类：（1）利用自发氧化还原反应产生电流（原电池），反应△G＜0，体系对外做功。
（2）利用电能促使非自发氧化还原反应发生（电解），反应△G＞0，环境对体系做功。
4.1 原电池（Electrochemical cell）任何自发进行的氧化还原(oxidation-reduction)反应，只要设计适当，都可以设计成原电池用以产生电流。
4.1.1 原电池的结构与工作原理Zn(s)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s)结构图：P75图4-1负极Zn(s)→Zn2+(aq)+2e-(Oxidation)正极Cu2+(aq)+2e-→Cu(s) (Reduction)总反应：Zn(s)+ Cu2+(aq) →Zn2+(aq)+ Cu(s)原电池的符号（图式）(cell diagram)表示:如铜-锌原电池, :Zn∣ZnSO4(c1)┊┊CuSO4(c2)∣Cu规定(1)负极(anode)在左边，正极(Cathode)在右边，按实际顺序从左至右依次排列出各个相的组成及相态;(2)用单实竖线表示相界面,用双虚竖线表示盐桥;(3)溶液注明浓度，气体注明分压;(4)若溶液中含有两种离子参加电极反应,可用逗号隔开，并加上惰性电极.4.1.2 电极类型按氧化态、还原态物质的状态分类：·第一类，金属、或吸附了气体的惰性金属放在含该元素离子的溶液中·第二类，金属难溶盐（难溶氧化物）·第三类，电极为惰性材料，运输电子。
电化学方法原理与应用
电化学方法原理与应用电化学是研究电流在电解质溶液或电解质体系中的传递现象和相关物理化学过程的学科。
电化学方法借助于电流和电势来探测和调控物质的性质和反应过程，广泛应用于分析化学、能源储存与转换、材料科学等领域。
一、电化学方法的基本原理电化学方法基于电子和离子在电解质溶液或电解质体系中的迁移和传递。
电子在金属导体中的传递通过导体的导电性实现，而离子在电解质溶液或电化学电池中的传递通过溶液的离导能力实现。
1. 电解池和电解质溶液电解池由阳极和阴极组成，通过电解质溶液连接。
阳极为电子流出的地方，阴极为电子流入的地方，电解质溶液中的离子在二者之间迁移所形成的离子流，即为电解质溶液的电解过程。
2. 电化学电池电化学电池通常由两个电极和电介质（电解质溶液或电解质）组成。
电化学电池类型包括蓄电池、燃料电池、电解水池等。
电化学电池将化学能转化为电能或者将电能转化为化学能，是电化学方法的核心。
二、电化学方法的应用1. 分析化学电化学方法在分析化学中具有广泛应用。
通过电化学方法，可以测定物质的浓度、电解质的活度、痕量元素的含量等。
常见的分析电化学方法有电位滴定法、电位分析法和电化学交流法等。
2. 能源储存与转换电化学方法在能源储存与转换方面也发挥着重要作用。
例如，通过电化学电池的工作原理，可以实现储能装置如锂离子电池、氢燃料电池等的设计和制备。
此外，电解水制氢、电化学合成燃料等也是电化学方法在能源领域的重要应用。
3. 材料科学电化学方法在材料科学中应用广泛。
通过电化学方法，可以制备功能材料如电致变色材料、电解液、电子陶瓷等。
此外，电化学方法还可用于材料的表征和性能调控，例如腐蚀行为研究、电化学沉积技术等。
4. 电化学合成电化学合成是一种重要的有机合成方法，通过电流作用下的化学反应，实现有机物的合成。
电化学合成可以在温和条件下合成具有特殊结构和性质的化合物，广泛应用于药物合成、有机材料合成等领域。
5. 环境保护电化学方法在环境保护方面也起到积极作用。
电化学原理与应用
超电势导致： 阳极析出电势升高，即φ(析,阳)=(φ阳 +η); 阴极析出电势降低，即φ(析,阴)=(φ阴 -η)。
二、电解池中两极的电解产物
若电解的是熔融盐，则产物只能是熔融盐的正、负离子分别在两极上进行还原和氧化后的产物。如：电解CuCl2，在阴极得到金属铜，在阳极得到氯气。
在阴极上进行还原反应的首先是析出电势代数值较大的氧化态物质。
在阳极上进行氧化反应的首先是析出电势(考虑超电势因素后的实际电极电势)代数值较小的还原态物质；
若电解的是盐类水溶液，电解液中除了盐类离子外，还有 H+ 和 OH- 离子。那么综合考虑电极电势和超电势的因素得出：
1) 析氢腐蚀
在酸性较强的条件下钢铁发生析氢腐蚀,电极反应为:
阳极: Fe－2e-=Fe2+ 阴极: 2H++2e-=H2↑
3 锂-铬酸银电池
以锂为负极的还原剂，铬酸银为正极的氧化剂，其导电介质为含有高氯酸锂(LiClO4)的碳酸丙烯酯(PC)溶液。
电池符号： (-)Li | LiClO4, PC | Ag2CrO4 | Ag(+) 电极反应: 负极： Li - e → Li+ 正极：Ag2CrO4 + 2Li+ + 2e → 2Ag + Li2CrO4
极化有两种：
超电压是由超电势构成的。由于两极的超电势均取正值，所以电解池的超电压：
E(超)= η (阴)+ η(阳)
影响超电势的三个因素： ①电解产物：金属的超电势一般很小，气体的超电势较大，而氢气、氧气的超电势则更大。
②电极材料和表面状态：同一电解产物在不同的电极上的超电势数值不同，且电极表面状态不同时超电势数值也不同。
电化学原理和应用
电化学原理和应用电化学原理是研究电与化学之间相互作用的学科，通过电势差、电流和离子迁移等现象来探索化学反应的机制和动力学过程。
电化学的应用广泛，涵盖了许多领域和技术。
一种常见的电化学应用是电池技术。
电池通过将化学能转化为电能，实现能源的存储与释放。
根据电化学原理，电池内部发生氧化还原反应，产生电子和离子，在外部电路上产生电流。
这种能量转换机制被广泛应用于各种设备，如手提电子设备、电动车和能源存储系统等。
另一个重要的电化学应用是电解和电沉积技术。
电解是通过在电解质中通电，使化学物质发生电解，分解为离子和气体等物质的过程。
电沉积则是指通过电解方法将金属离子沉积在电极上，实现金属的精制、镀铜等操作。
这种技术被应用于金属加工、电镀、电解铜等行业。
电化学还在环境保护中起着重要的作用。
例如，电化学方法可以用于废水处理，通过电解氧化或还原等反应来去除有害物质。
此外，电化学还被应用于空气净化、电化学传感器等技术，用于检测和监测环境中的有害物质。
此外，电化学在能源领域也有广泛应用。
燃料电池是一种将燃料的化学能转化为电能的设备，通过电化学反应产生电流。
燃料电池具有高效、低污染的特点，被认为是未来的清洁能源之一。
此外，电解水也被用于产氢技术，通过电解水分解产生氢气，用做燃料或工业原料。
在生命科学中，电化学被应用于生物传感器、电生理学等领域。
例如，电活性物质的浓度可以通过电流的变化来测量，用于药物分析、生物传感器等。
此外，一些生物学研究中使用的技术，如西鲍尔渗析、电泳等，也涉及了电化学原理。
综上所述，电化学原理和应用涉及了许多领域，包括能源、环境、材料等。
电化学的研究和应用有助于我们更好地理解和利用化学和电学的相互作用，为解决实际问题提供了新的思路和方法。
第四章 电化学原理及其应用
4.2 电极电势
原电池能够产生电流的事实说明在原电池 的两个电极之间有电势差，构成原电池的 两个电极各自有不同的电势，称为电极电 势。那么单个电极的电极电势是如何产生 的呢？
4.1 原电池
4.1.1 原电池
氧化还原反应是电子转移的反应，同一溶液内的氧化还 原反应过程，电子转移时无定向运动，不产生电流，如
Zn CuSO 4 aq ZnSO4 aq Cu
但若选择适当的电极，组装为“原电池”。将两边电解 质溶液用盐桥连接起来，就能保证电流通路，使转移的 电子定向运动→产生电流。
E(O2 /OH-)
=
E(O
2
/OH-)
+
0.0592V
4
Lg——— 1
{c(OH )/c }4
=+0.401V +
= +0.815V
0.0592V 4
Lg———
{1.0×10-7 }4
2、酸碱度的影响
[例4.3]. 求pH=1和pH=6时电对 Cr2O72-/Cr3+ 的电极电势。 298.15K，设c(Cr2O72-)=c(Cr3+)=1 mol.dm-3 解：电极反应为： Cr2O72- + 14H+ + 6e 2Cr3+ + 7H2O
1.36
1.36 1.36
G /
kJ.mol-1
-131
-262 -786
电化学技术的基本原理与应用
电化学技术的基本原理与应用电化学技术是一种利用电力作为驱动力进行反应的技术。
它广泛应用于许多领域，例如金属腐蚀保护、化学电源、电沉积、电化学制备等等。
本文将介绍电化学技术的基本原理和应用领域，并讨论一些最新的电化学研究进展。
一、电化学技术的基本原理1.1 电解作用电解是指在电化学过程中，通过加电位差使固体电解质中的离子发生移动并发生反应的过程。
在电解过程中，正极被称为阳极，而负极被称为阴极。
当阳极受到电子的流入，它上面的物质将会氧化，而在阴极上，物质则会被还原。
1.2 电化学反应电化学反应是电解作用的结果。
在电化学反应的过程中，会发生氧化还原反应和非氧化还原反应。
氧化还原反应是指电化学过程中，物质失去或获得电子的过程，而非氧化还原反应则是物质通过电解进一步转化成其他物质的过程。
1.3 电化学反应的参数电化学反应的过程和结果受到许多因素的影响。
其中，温度、反应物浓度、电压和电流密度是最重要的因素之一。
温度的影响很容易理解，因为反应温度的升高会影响到化学反应的速度。
反应物浓度对电化学反应同样也有重要的影响。
当反应物浓度越高时，反应速率越快。
电压和电流密度则是电化学反应的另外两个重要参数。
电压决定了反应方向和速率，而电流密度则决定了化学反应的强度。
二、电化学技术应用领域2.1 电化学污染治理电化学污染治理技术通过加入电解剂和电导介质来清理废物污染物。
该技术不仅能够很好地处理某些有毒物质，而且还能减少固体废物对环境的影响。
2.2 电化学制氧和制氢电化学制氢技术是指利用电化学反应从水中将氢分离出来的技术。
这种技术可以非常有效地将包括清洁能源在内的可再生能源转化为电力和燃料。
相似的，电化学制氧技术可以用来制备氧气，这种技术从废气和废水中制取氧气已经开始应用于工业环境中。
2.3 电化学沉积电化学沉积是指将金属沉积在电解资料的表面上的技术。
这种技术被广泛地用于制备导电膜，防腐蚀涂料和其他专业材料。
此外，电化学沉积还可以用来在半导体材料表面制备非常细致的电路图形。
电化学原理及其应用
第五节电化学原理及其应用【易错指津】1．原电池中的电极不一定都是金属材料，也可以是碳棒、金属氧化物、惰性电极。
2．原电池中的内外电路分析：外电路：电子由负极流向正极，负极极板因此而带正电荷，正极极板由于得到了带负电的电子显负电性。
内电路：阳离子向正极作定向移动，阴离子向负极作定向移动。
3．解析各种实用原电池，其思路是一般先分析电池中有关元素的化合价的变化确定电池的正负极，然后根据原电池或电解池的原理判断题目所提供的有关问题。
【典型例题评析】例1 以下现象与电化学腐蚀无关的是（1998年上海高考题）A.黄铜（铜锌合金）制做的铜锣不易产生铜绿B.生铁比软铁芯（几乎是纯铁）容易生锈C.铁质器件附有铜质配件，在接触处易生铁锈D.银质奖牌久置后表面变暗思路分析：A中的Cu与Zn、B中的Fe与碳（C）、C中的Fe与Cu，它们中的两种物质与空气水膜中形成原电池，其中较活泼的Zn、Fe、Fe作负极而被腐蚀，A中Cu不生成铜绿，B、C中铁生锈。
D中Ag长期在空气中与硫化氢反应生成了少量A g2S，而呈黑色。
答案：D方法要领：本题考查考生运用原电池原理解释日常生活中金属用品的腐蚀原因。
凡是由多种金属或金属和碳组成的物质，在空气中可形成无数个微小的原电池，而发生电化学腐蚀。
例2下列关于铜电极的说法正确的是（1998年全国高考题）A.铜锌原电池中铜是正极B.用电解法精炼粗铜时粗铜做阴极C.在镀件上电镀铜时可用金属铜做阳极D.电解稀硫酸制H2、O2时铜做阳极思路分析：这是对Cu电极在原电池、电解和电镀中的作用的归纳，一切仍基于反应基本原理和规律的掌握。
在精炼粗铜时，应首先使粗铜溶解，所以粗铜应做阳极；若用Cu 做阳极电解H 2SO 4，则Cu 将优先氧化（Cu-2e -=Cu 2+）。
答案：A 、C方法要领：根据原电池、电解原理，判断Cu 电极上发生的反应。
电解规律：①看电源定阴阳极；②看电极材料定电极反应：损失阳极(C 、Pt 、Au 除外)，保护阴极；③看溶液中离子得失电子能力定阴阳极产物：若阳极为C 、Pt ，易放电的阴离子在阳极上发生氧化反应，阳极本身不发生反应。
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5月6日晨测：化学原理及其应用（时间：40分钟）
可能用到的相对原子质量： Cu -64 Zn -65
1．（2020·广西省桂林市高三联合调研）钠硫电池以熔融金属钠、熔融硫和多硫化钠(Na 2S x )分别作为两个电极的反应物，固体Al 2O 3陶瓷(可传导Na +)为电解质，总反应为2Na+xS
Na 2S x ，其反应原理如图所示。
下列叙述正
确的是（ ）
A ．放电时，电极a 为正极
B ．放电时，内电路中Na +的移动方向为从b 到a
C ．充电时，电极b 的反应式为S x 2--2e -=xS
D ．充电时，Na +在电极b 上获得电子，发生还原反应
2．（2020·吉林省吉林市高三二调）金属(M)－空气电池具有原料易得，能量密度高等优点，有望成为新能源汽车和移动设备的电源，该类电池放电的总反应方程式为：2M ＋O 2＋2H 2O ＝2M(OH)2。
(已知：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能)下列说法正确的是（ ） A ．电解质中的阴离子向多孔电极移动
B ．比较Mg 、Al 、Zn 三种金属－空气电池，Mg －空气电池的理论比能量最高
C ．空气电池放电过程的负极反应式2M －4e －＋4OH －＝2M(OH)2
D ．当外电路中转移4mol 电子时，多孔电极需要通入空气22.4L(标准状况)
3．（2020·福建省龙岩市高三质量检测）我国某科研团队设计了一种新型能量存储／转化装置（如下图所示）。
闭合K 2、断开K 1时，制氢并储能；断开K 2、闭合K 1时，供电。
下列说法错误的是（ ）
A ．制氢时，溶液中K +向Pt 电极移动
B ．制氢时，X 电极反应式为22Ni(OH)e OH NiOOH H O ---+=+
C ．供电时，Zn 电极附近溶液的pH 降低
D ．供电时，装置中的总反应为222Zn 2H O Zn(OH)H +=+↑
4．（2020·石嘴山市第三中学高三一模）利用CH 4燃料电池电解制备Ca （H 2PO 4）2并得到副产物NaOH 、H 2、Cl 2，装置如图所示。
下列说法正确的是（ ）
A ．a 极反应：CH 4＋8e －＋4O 2－=CO 2＋2H 2O
B ．A 膜和
C 膜均为阴离子交换膜
C ．可用铁电极替换阴极的石墨电极
D ．a 极上通入2.24 L 甲烷，阳极室Ca 2＋减少0.4 mol
5．（2020·河南省开封市高三模拟）现在污水治理越来越引起人们重视，可以通过膜电池除去废水中的乙酸钠和对氯苯酚（），其原理如图所示，下列说法正确的是（ ）
A ．b 为电池的正极，发生还原反应
B ．电流从b 极经导线、小灯泡流向a 极
C ．当外电路中有0.2mole -转移时，a 极区增加的H +的个数为0.2N A
D ．a 极的电极反应式为：+2e -+H +=Cl -+
6．（2020·陕西省高三联考）用石墨作电极电解KCl 和CuSO 4(等体积混合)混合溶液,电解过程中溶液pH 随时间t 的变化如图所示,下列说法正确的是（ ）
A ．ab 段H +被还原,溶液的pH 增大
B ．原溶液中KCl 和CuSO 4的物质的量浓度之比为2∶1
C ．c 点时加入适量CuCl 2固体,电解液可恢复原来浓度
D ．cd 段相当于电解水
7．（2020·湖南省永州市高三二模）复旦大学王永刚的研究团队制得一种柔性水系锌电池,该可充电电池以锌盐溶液作为电解液,其原理如图所示。
下列说法不正确的是（ ）
A．放电时,N极发生还原反应
B．充电时,Zn2+向M极移动
C．放电时,每生成1 mol PTO- Zn2+ ,M极溶解Zn的质量为260 g
D．充电时,N极的电极反应式为2PTO+8e-+4Zn2+=PTO- Zn2+
8．（2020·福建省漳州市高三测试）我国历史悠久，有灿烂的青铜文明，出土大量的青铜器。
研究青铜器中(含Cu、Sn等)在潮湿环境中发生的腐蚀对于文物保护和修复有重要意义。
下图为青铜器在潮湿环境中发生电化学腐蚀的原理示意图。
下列说法不正确的是( )
A．青铜器发生电化学腐蚀，图中c作负极，被氧化
B．正极发生的电极反应为O2+4e-+2H2O=4OH-
C．环境中的C1-与正、负两极反应的产物作用生成a的离子方程式为2Cu2++3OH-+Cl-=Cu2(OH)3Cl↓
D．若生成2 mol Cu2(OH)3Cl，则理论上消耗标准状况下O2的体积为22.4 L
9．（2020·广东高三模拟）我国某科研机构研究表明，利用K2Cr2O7可实现含苯酚废水的有效处理，其工作原理如下图所示。
下列说法正确的是（）
A．N为该电池的负极
B．该电池可以在高温下使用
C．一段时间后，中间室中NaCl溶液的浓度减小
D．M的电极反应式为：C6H5OH＋28e－＋11H2O=6CO2↑＋28H＋
10．（2020·福建省厦门市高三质检）我国科学家设计了一种将电解饱和食盐水与电催化还原CO2相耦合的电解装置如图所示。
下列叙述错误的是（）
A．理论上该转化的原子利用率为100%
CO+2e+2H=CO+H O
B．阴极电极反应式为-+
22
C．Na+也能通过交换膜
D．每生成11.2 L（标况下）CO转移电子数为N A
11．（2020·黑龙江省齐齐哈尔市第八中学高三一模）化石燃料开采、加工过程中会产生剧毒气体硫化氢(H2S)，可通过间接电化学法除去，其原理如图所示。
下列说法错误的是（）
A．反应池中处理硫化氢的反应是H2S+2Fe3+=2Fe2++S↓+2H+
B．电极a为阳极，电极b为阴极
C．若交换膜为质子(H+ )交换膜，则NaOH溶液的浓度逐渐变大
D．若交换膜为阳离子交换膜，b电极区会产生红褐色沉淀。