第一章 緒論 2012電化學(xué)課件（山東大學(xué)）

第一章緒論1.1什么是電化學(xué)1.2電化學(xué)涉及的領(lǐng)域1.3本課程的學(xué)習(xí)要求1.1什么是電化學(xué)1.1.1電化學(xué)的定義A.狹義研究電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化及轉(zhuǎn)化過程規(guī)律的科學(xué)。研究帶電界面上所發(fā)生現(xiàn)象的科學(xué)。研究物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)或化學(xué)反應(yīng)與電的關(guān)系的科學(xué)。電化學(xué)是研究電與化學(xué)變化之間的關(guān)系，即立足于物質(zhì)與電流的磁、電、化學(xué)作用。研究電化學(xué)平衡（熱力學(xué)范疇）與電化學(xué)反應(yīng)速度（動(dòng)力學(xué)范疇）的科學(xué)。研究載流子（電子、離子、空穴）在電化學(xué)體系（特別是在離子導(dǎo)體和電子導(dǎo)體的相界面及其臨界區(qū)域）中的傳輸和反應(yīng)規(guī)律的科學(xué)。1.1WhatisElectrochemistry?1.1.1ConceptThesciencetostudytherelationsbetweenchemicalreactionenergyandelectrochemicalenergyandtheirrelationsThesciencetostudythephenomenonoccuratelectronphaseSciencetostudytherelationbetweenelectric(electron)andmaterialcschemicalpropertiesandreactions

Sciencetostudytherelationbetweenelectric(electron)andchemicalreaction

SciencetostudyElectrochemicalequilibrium（thermodynamic）&electrochemicalreactionrate（kinetics）1.1什么是電化學(xué)B.廣義所謂電化學(xué)即是化學(xué)的一部分，是研究物質(zhì)或化學(xué)反應(yīng)與電的關(guān)系的科學(xué)。電化學(xué)就是研究帶電界面上所發(fā)生現(xiàn)象的科學(xué)。JohnO’MBockris1.1WhatisElectrochemistry?Electrochemistryisabranchofchemistrythatstudieschemicalreactionwhichtakeplaceinasolutionattheinterfaceofanelectronconductor(ametalorasemiconductor)andanionicconductor(theelectrolyte),andwhichinvolveelectrontransferbetweentheelectrodeandtheelectrolyteorspeciesinsolution.JohnO’MBockris1.1什么是電化學(xué)1.1.2電化學(xué)的發(fā)展電化學(xué)熱力學(xué)研究平衡狀態(tài)下的電化學(xué)體系，涉及的主要問題是化學(xué)能與電能之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律。電化學(xué)動(dòng)力學(xué)電極過程動(dòng)力學(xué)研究電化學(xué)反應(yīng)速度與反應(yīng)機(jī)理，在20世紀(jì)4050年代發(fā)展起來?，F(xiàn)代電化學(xué)從宏觀概念上升到微觀結(jié)構(gòu)與微觀動(dòng)力學(xué)的概念，20世紀(jì)60后開始出現(xiàn)，如量子電化學(xué)、微區(qū)電化學(xué)等。1.1什么是電化學(xué)1.1.2電化學(xué)的發(fā)展電化學(xué)應(yīng)用研究隨著電化學(xué)的發(fā)展，電池、電解工業(yè)應(yīng)運(yùn)而生，反過來誕生了應(yīng)用電化學(xué)。電化學(xué)與其它學(xué)科的交叉、融合

如電解質(zhì)電化學(xué)、半導(dǎo)體電化學(xué)、生物電化學(xué)、材料電化學(xué)、納米電化學(xué)、腐蝕電化學(xué)、環(huán)境電化學(xué)等。1791～1792年，L.伽伐尼、A.伏打用不同金屬夾濕紙組成電堆，并提出起電力和電池名稱，這是化學(xué)電源的開端。1807年，H.戴維用電解方法成功地從鈉、鉀、氫氧化物溶液中制備出金屬鈉、鉀。1833年，M.法拉第提出法拉第電解定律，為電化學(xué)定量研究奠定了理論基礎(chǔ)。1887年，S.A.阿倫尼烏斯提出電解質(zhì)溶液的電離學(xué)說，揭示了電解質(zhì)溶液的本質(zhì)。19世紀(jì)下半葉，H.von亥姆霍茲和J.W.吉布斯給起電力

（今稱電動(dòng)勢）以嚴(yán)格明確的熱力學(xué)定義。1889

年，W.H.能斯特用熱力學(xué)導(dǎo)出電池電動(dòng)勢與參與反應(yīng)各組分濃度關(guān)系的能斯特公式，該式為電化學(xué)重要理論之一。

1923

年，P.德拜和E.休克爾提出強(qiáng)電質(zhì)稀溶液離子互吸理論，促進(jìn)了電化學(xué)在理論探討和實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展。1920年前后，F(xiàn).哈伯研究了電解的過電位問題，為實(shí)用電化學(xué)和電極極化提出了重要信息。電化學(xué)發(fā)展史上的重要事件（引自參考書）1791，L.Galvani,A.Volta:Battery1807，H.Davy:IsolatedNa&KmetalfrommoltenNaClandKCl1833，M.Farady:LawofElectrolysis1887，S.A.Arrhenius:Electrolytes

1889，W.H.Nernst:NernstEquation

1923，P.Debye&EHuckel:Debye–Hückeltheory1924,Heyrovsky:Polargraph1936,A.Tiselius:Electrophoresis.

Milestoneofelectrochemistry1.1.3電化學(xué)的研究領(lǐng)域電化學(xué)熱力學(xué)是一門重要的邊緣學(xué)科，它與固體物理學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、電子學(xué)以及化學(xué)領(lǐng)域的其它學(xué)科有著密切的聯(lián)系，各學(xué)科的交叉和融合產(chǎn)生了許多分支學(xué)科：如電分析化學(xué)、有機(jī)電化學(xué)、電催化、熔鹽電化學(xué)、固體電解質(zhì)電化學(xué)、量子電化學(xué)、半導(dǎo)體電化學(xué)、腐蝕電化學(xué)、生物電化學(xué)、電化學(xué)傳感器等等。

1.1.4國際電化學(xué)專業(yè)分會(huì)（1）基礎(chǔ)界面電化學(xué)；（2）電極與電解材料；（3）電分析化學(xué)；（4）分子電化學(xué)；（5）電化學(xué)的能量轉(zhuǎn)換；（6）腐蝕、電沉積與表面處理；（7）工業(yè)電化學(xué)與電化學(xué)工藝；（8）生物電化學(xué)。

電化學(xué)領(lǐng)域橫跨純自然科學(xué)（理學(xué)）和應(yīng)用自然科學(xué)（工程、技術(shù)）兩大方面，而且各個(gè)領(lǐng)域都建立在共同的基礎(chǔ)理論電化學(xué)之上。1.1.4（1）

AnalyticalElectrochemistry

（2）

EletrochemicalMaterialsScience（3）EletrochemicalEnergyConversion&Storage（4）

Bio-Electrochemistry（5）

EletrochemicalProcessEngineering&technology（6）

MolecularElectrochemistry（7）

PhysicalElectrochemistry

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Pennington,NewJersey08534-2839,USACSwasfoundedin1902asaninternationalnonprofit,educationalorganizationconcernedwithabroadrangeofphenomenarelatingtoelectrochemicalandsolid-statescienceandtechnology.TheElectrochemicalSocietyhasmorethan8,000scientistsandengineersinover70countriesworldwidewhoholdindividualmembership,aswellasroughly100corporationsandlaboratoriesthatholdcorporatemembership.ECS’sobjectivesare:toadvancethetheoryandpracticeofelectrochemistry,solid-statescience,andalliedsubjects;toencourageresearchanddisseminationofknowledgeinthesefields;andtoassuretheavailabilityofadequatetrainingandeducationoffundamentalandappliedscientistsandengineersinthesefields.BornastheAmericanElectrochemicalSocietyin1902,theSociety’snamewaschangedtoTheElectrochemicalSocietyin1930tomoreaccuratelyreflectitsinternationalactivitiesandmembership.ECShasgrownandcontinuedtorespondtothechangingtechnicalneedsandinterestsofitsmembers;andin2000,adoptedtheofficialacronymofECS,toencompasslongtraditionofadvancingthetheoryandpracticeofbothsolid-stateandelectrochemicalscienceandtechnology.ECScontinuestodisseminateinformationthroughindividualmembership,corporatemembership,studentservices,technicaljournals,aquarterlynewsmagazine,books,technicalmeetings,awards;andtoprovidenetworkingcontactsthroughECS’sDivisionsandSections.LearnmoreaboutECShistoryfromtheHistoryCenter.ECSbridgesthegapsamongacademia,research,andengineering—bringingtogetherscientistsfromaroundtheworldfortheexchangeoftechnicalinformation.Thisuniqueblendprovidesanunparalleledforumfortheintegrationoftheseareasofscienceandtechnology.TheECSStaffcanprovidesupporttoyouinlearningmoreaboutECSanditsmanyactivities.1.2電化學(xué)涉及的應(yīng)用領(lǐng)域電化學(xué)應(yīng)用范圍很廣，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出化學(xué)領(lǐng)域。電化學(xué)的實(shí)際應(yīng)用大致可概括為：

電化學(xué)合成有機(jī)物和無機(jī)物：例如氯氣、氫氣、氫氧化鉀、高錳酸鉀、四烷基鉛等。金屬的提取與精煉：例如熔鹽電解制備鋁、電解精煉銅、濕法電冶鋅等?；瘜W(xué)電源：鋅錳電池、鉛酸電池、鋰電池、鋰離子電池、鎘鎳電池、燃料電池、太陽能電池等。金屬腐蝕與防護(hù)：采取有效措施減緩金屬材料的腐蝕，如陽極保護(hù)、陰極保護(hù)