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第七章 电化学 电化学是研究电能和化学能之间的相互转化及转化过程中有关规律的科学。电能和化学能 相互转化可通过电池来完成。 电池分为原电池和电解池。 原电池：将化学能转变为电能的装置 电解池：将电能转变为化学能的装置 能自发进行的化学反应，如在原电池中进行，则可作电功；对于非自发的反应，在电解池中对其作电功，可以进行。 电池由两个电极和电极之间的电解质构成。原电池和电解池中电流通过时，极板与电解质界面上必定发生电极反应。 电化学的研究内容应包括两个方面： 一是电解质的研究，即电解质学，其中包括电解质的导电性质、离子的传输性质、参与反应离子的平衡性质等，其中电解质溶液的物理化学研究常称作电解质溶液理论； 另一方面是电极的研究，即电极学，其中包括电极的平衡性质和通电后的极化性质，也就是电极和电解质界面上的电化学行为。 电化学的起源 1791年伽伐尼发表了金属能使蛙腿肌肉抽缩的“动物电”现象，一般认为这是电化学的起源。1799年伏打在伽伐尼工作的基础上发明了用不同的金属片夹湿纸组成的“电堆”，即现今所谓“伏打堆”。这是化学电源的雏型。在直流电机发明以前，各种化学电源是唯一能提供恒稳电流的电源。1834年法拉第电解定律的发现为电化学奠定了定量基础。 19世纪下半叶，经过亥姆霍兹和吉布斯的工作，赋于电池的”(今称“电动势”以明确的热力学含义；1889年能斯特用热力学导出了参与电极反应的物质浓度与电极电势的关系，即著名的能斯特公式；1923年德拜和休克尔提出了人们普遍接受的强电解质稀溶液静电理论，大大促进了电化学在理论探讨和实验方法方面的发展。 在物理化学的众多分支中，电化学是唯一以大工业为基础的学科。它的应用主要有： 电解工业，其中的氯碱工业是仅次于合成氨和硫酸的无机物基础工业；铝、钠等轻金属的冶炼，铜、锌等的精炼也都用的是电解法；机械工业使用电镀、电抛光、电泳涂漆等来完成部件的表面精整； 环境保护可用电渗析的方法除去氰离子、铬离子等污染物； 化学电源； 金属的防腐蚀问题，大部分金属腐蚀是电化学腐蚀问题； 许多生命现象如肌肉运动、神经的信息传递都涉及到电化学机理。 应用电化学原理发展起来的各种电化学分析法已成为实验室和工业监控的不可缺少的手段。 燃料电池 燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。这种装置的最大特点是由于反应过程中不涉及到燃烧，因此其能量转换效率不受卡诺循环的限制，其能量转换率高达60%－80%，实际使用效率则是普通内燃机的2－3倍。 §7-1 电解池、原电池和法拉第定律 导体的分类 电子导体: 依靠自由电子运动而导电，随温度升高，电阻增大 离子导体: 依靠离子定向运动而导电，随温度升高，电阻减小 §7-1电极过程、电解质溶液和法拉第定律 §7-1 电极过程、电解质溶液和法拉第定律 §7-1电极过程、电解质溶液和法拉第定律 §7-1电极过程、电解质溶液和法拉第定律 原电池：将化学能转变为电能的装置 原电池由两个电极组成： 阳极氧化反应，失去电子 电子由外路流向阴极 阴极得到电子，发生还原反应 §7-1电极过程、电解质溶液和法拉第定律 电解质溶液导电机理 电解质溶液的导电过程包括电极反应和电解质溶液中离子的定向迁移 §7-1电极过程、电解质溶液和法拉第定律 法拉第定律 电解池或原电池中，电极上发生的化学反应的物质的量与通过电池的电量成正比 §7-1电极过程、电解质溶液和法拉第定律 法拉第 (Michael Faraday，1791-1867)，英国著名物理学家、化学家。 法拉第是电磁场学说的创始人。麦克斯韦正是抱着用严格的数学语言来表述法拉第理论的决心闯入电磁学领域的。 阳极、阴极、电极及离子等现今电化学中经常使用的专有名词，是由法拉第推广给世人。 为了纪念法拉第，电容值的国际单位被命名为法拉，符号为Far，此外，1摩尔的电子所含的电量（约96485库仑）也被称为法拉第常数 §7-1电极过程、电解质溶液和法拉第定律 法拉第定律 在恒稳电流情况下，同一时间内通过电路中各点的电量是相等的；即通过金属导线的电量等于通往任意电极表面的电量，等于电极反应得失的电量，等于通过电解质溶液的电量。 §7-1电极过程、电解质溶液和法拉第定律 法拉第定律对电化学的发展起了很大的作用，是自然科学中最精确的定律之一。 它不受温度、压力、电解质浓度、电极材料、溶剂性质的影响； 对原电池、电解池都适用。 §7-1电极过程、电解质溶液和法拉第定律 电量计 测量回路中通过电量的一种装置。将电极置于电解质溶液中，串联到电路上，根据通电后电极反应的物质的量求出所通过的电量。 银电量计、铜电量计、气体电量计 §7-1电极过程、电解质溶液和法拉第定律 基本概念：原电池、电解池；正极、负