2013-2014-1-电化学工程-绪论.ppt

电化学工程 授课教师：李 靖 2013.9-10 课程内容及课时安排 1. 理论教学——24学时，共六周。 2. 实验教学——16学时，共四个实验。 分组：每班/两组。 3. 考试——闭卷 理论和实验 实验试题分数占卷面总分不超过40%。 总成绩=平时成绩×20% + 期末考试成绩×50% + 实验成绩×30%，其中实验成绩=实验操作成绩×60% + 实验报告成绩×40%。 主要参考书 1、电化学工程概述，吴辉煌等编著，厦门大学出版社，1994 2、电解工程，陈延禧等编著，天津科技出版社，1993 3、高能化学电源，管从胜等编著，化学工业出版社，2005 4、应用电化学，杨绮琴，中山大学出版社，2001 5、金属腐蚀原理及应用，魏宝明等编，化学工业出版社，1980 主要参考书 6、电化学保护，中国腐蚀与防护学会主编，火时中编著，化学工业出版社，1988 7、应用电化学，贾梦秋，杨文胜，高等教育出版社，2004 8、电镀工程，张胜涛，化学工业出版社，2002 9、无机固体化学，洪广言，科学出版社 10、电化学方法原理和应用，[美]阿伦.J.巴德，2008 第1章 绪论 1.1工业电化学过程 “工业电化学” 是利用电化学基础理论和基本原理，解决研究和生产实践中有关电化学应用过程中碰到实际问题的一门课程，有关应用主要包括金属腐蚀与防护、金属电沉积、化学电源、电化学传感器、电化学合成、生物电化学和光电化学等。 1.1.1 电化学的发展 一、电化学的形成与发展 电化学科学像任何一门科学一样，是在生产力不断发展的基础上发展起来的。电化学诞生于18~19世纪。 1791年，Galvani从事青蛙生理功能的研究时，首先偶然构成了电化学电路。 意大利物理学家，因在1800年发明伏达电堆而著名 为了纪念伏特，把电压的计量单位叫做伏特。如手电筒中的电池电压时1.5V，家用电灯的电压时220V. 1799年Volta将锌片和铜片叠起来，中间用浸有硫酸的毛呢隔开，构成电堆，这是世界上出现了第一个化学能转变为电能的化学电源。有了Volta电堆以后，为研究人员进行化学能和电能之间的转化研究提供了很大的可能性。如1807年Davy用电解法成功制备出金属钾和钠。 大量的生产实践和科学实验只是的积累，推动了电化学理论工作的进展，并进一步以实验为理论指导新的时间。 1826年Volta发现了欧姆定律；1883年得到了法拉第定律，1887年，Arrhenius提出了电离学说。 1889年Nernst建立了电极电势的理论，提出了表示电极电势与电极反应各组成浓度关系的Nernst公式。 19世纪70年代，Helmholtz首先提出了双电层的概念，1905年Tafel测定了各种金属上析氢的电化学反应速率，确定了氢气过电势和电流密度的关系，从而提出了Tafel方程，这是电化学动力学的第一个定律。 在20世纪上半叶，电化学家们的主要精力用于研究电解质溶液理论和原电池热力学，企图用化学热力学的方法处理一切电化学问题，这是以后总错误的倾向，这一期间电化学的发展较为缓慢。 20世纪50年代以后，电化学科学有了迅速的发展。在非稳态传质过程动力学、表面转化步骤及复杂电极过程动力学等理论方面和界面交流阻抗法、暂态测试方法、线性电位扫描、旋转圆盘电极系统等试验技术方面都有了突破性的进展，使电化学日趋成熟。 1.1.2 电化学涉及内容 电化学热力学、动力学 电化学体系的性质 电极/溶液界面的结构与性质 1.1.2.1电化学热力学 第一类导体：凡是依靠物体内部自由电子的定向运动而导电的物体，即载流子为自由电子（或空穴）的导体，叫做电子导体，也称第一类导体。 第二类导体：凡是依靠物体内的离子运动而导电的导体叫做离子导体，也称第二类导体。 一、电解质“溶液”——“离子”导体 电解质：溶于溶剂或熔化时形成离子，从而具有导电能力的物质。 在电解液相中，电荷转移是通过离子运动来进行的。就电化学池而言，所研究的电化学实验体系，电解质溶液必须有较低的电阻（即有足够高的导电性）。 液体电解质 电解质溶液的导电能力依赖于电解质的本质、溶液中离子的浓度和淌度。由于氢离子和氢氧根离子具有特别高的离子淌度，工业上常用无机强酸或者无机强碱作为支持电解质。 根据电化学过程的需要，有时还可以在电解质溶液中加入添加剂，如在电镀生产中添加剂对改善镀层的品质发挥关键的作用。还有的添加剂用于减小电解液流动阻力以节省动力损耗。 在电化学反应中的离子导体有常见的电解质溶液、熔盐、固体电解质和超临界流体的等。最常用的电解质溶液是含有如H+、Na+、Cl-等离子物种水溶剂或非水溶剂的液态溶液。 不常用的电解液包括熔融盐（如氯化钠-氯化钾的低共溶混合物