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第十一章 电 化 学 引言 如何学好电化学
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化 学 物理化学 电化学
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电 化 学 研究电能与化学能 的相互转化及其相关规律
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电化学科学 一. 历史悠久 二. 应用广泛 三.电化学现象普遍存在
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电化学科学 一. 历史悠久 1780 生物电 L.Galvani 1799 伏特电堆 A.Volta
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A. Volta (伏特） Volta Pile
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Volta Pile
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电化学的特征 一. 历史悠久 生物电 1799 伏特电堆 1834 法拉弟定律 1887 物理化学杂志
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二. 应用广泛 能源（电池、蓄电池、) 材料（电解、腐蚀、 ） 生命（心脑电图、电泳、 ） 环境（三废治理、 ）
信息（化学传感器、 ）
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国际电化学会（ISE） 界面电化学 电子和离子导体相 分析电化学 电化学能源转换 腐蚀、电沉积和表面处理 工业电化学和电化学工程 生物电化学
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三、电化学现象普遍存在 (a) i i i为带电荷粒子 相间自发转移
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三、电化学现象普遍存在 (a) i i i为带电荷粒子 相间自发转移 (b) 相界面存在过剩电荷 界面电位差
相间自发转移 (b) 相界面存在过剩电荷 界面电位差 (c) 自然界普遍存在水 电解质溶液
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电化学势 Electrochemical Potential
Gi = i- i + Zie0( - ) 平衡时： i + Zie0 = i + Zie0 两相间建立平衡电势
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电极（Electrode) 电极材料/电解质 Zn|Zn2+, SO42- Pt|H2,H+ Fe|Fe3O4|Fe2O3|水溶液
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电极（Electrode) 电极材料/电解质 传递电荷 氧化或还原反应的地点 “半电池” Zn|Zn2+,SO42-, Pt|H2,H+
Fe|Fe3O4|Fe2O3|水溶液 传递电荷 氧化或还原反应的地点 “半电池”
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Electrode (Electrochemical）Reaction
电极（电化学）反应 Electrode (Electrochemical）Reaction 特殊的异相氧化还原反应 氧化和还原反应分别在不同的地点进行
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Electrode (Electrochemical）Reaction
电极（电化学）反应 Electrode (Electrochemical）Reaction 特殊的异相氧化还原反应 氧化和还原反应分别在不同的地点进行 电场的强度和方向可改变反应的 活化能和速度
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电池(Cell) 电(化学)池 电化学装置(Electrochemical Device) 原电池 (Primary Cell)
体系自发地将本身的化学能变为电能(G<0) 电解池 (Electrolytic Cell) 利用电功推动体系进行化学反应(包括G>0)
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硫酸 铅酸蓄电池 (1860年--) 放 电 (对外作功) e -2e +2e Pb PbO2 I H2O H+ SO4= SO4=
PbSO4 -2e Pb +2e PbO2 H2O H+ SO4= SO4= 硫酸 负极 正极
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硫酸 铅酸蓄电池 (1860年--) 充 电 (吸收电能) e e +2e -2e PbO2 Pb Pb2+ Pb2+ PbSO4
正极 负极 Pb2+ PbSO4 +2e Pb2+ PbSO4 -2e H2O H+ SO4= SO4= PbO2 Pb 硫酸
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负极反应 正极反应 电池总反应 Pb+H2SO4 PbSO4+2H++2e PbO2+H2SO4+2H++2e PbSO4+2H2O
Ox Red 正极反应 PbO2+H2SO4+2H++2e PbSO4+2H2O Red Ox 电池总反应 Pb+PbO2+2H2SO PbSO4+2H2O (对外反应) 放电 充电 (吸收电能)
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电化学装置(Electrochemical Device)
电化学装置需要满足： 至少包括一对分区进行(成对存在)的电极反应。在电解质溶液中，不同电荷的离子作不同方向的定向迁移。在外线路中，电子由阳极往阴极的定向移动。
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e e 正极 负极 Pb2+ PbSO4 +2e Pb2+ PbSO4 -2e H2O H+ SO4= SO4= PbO2 Pb 硫酸
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电极的名称和过程 氧 化 还 原 反 应 电 极 阳极 Anode 阴极 Cathode 正极、电势高 负极、电势低 电解池 负极、电势低
电 极 阳极 Anode 阴极 Cathode 反 应 电解池 原电池 驱向离子 氧 化 正极、电势高 负极、电势低 阴离子 Anion 还 原 负极、电势低 正极、电势高 阳离子 Cation
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物理化学 热力学 动力学 结构化学 量子化学 统计力学 电化学研究重点 溶液电化学 (电解质溶液) 平衡态电化学 电极过程 界(表)面电化学
固态电化学 光电化学 生物电化学 结构化学 量子化学 统计力学
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电化学基础研究 应用电化学领域 电池、电解 电镀、腐蚀 电加工、电泳 电分析、传感器 …... 平衡态电化学 电极过程 界(表)面电化学
固态电化学 光电化学 生物电化学
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电极的名称和过程 氧 化 还 原 反 应 电 极 阳极 Anode 阴极 Cathode 正极、电势高 负极、电势低 电解池 负极、电势低
电 极 阳极 Anode 阴极 Cathode 反 应 电解池 原电池 驱向离子 氧 化 正极、电势高 负极、电势低 阴离子 Anion 还 原 负极、电势低 正极、电势高 阳离子 Cation
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Q- 反应电量n-摩尔数，Z-反应电子计数量，
法拉弟定律 Faraday law (1834年) Q- 反应电量n-摩尔数，Z-反应电子计数量， F-法拉弟常数（1891年）
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法拉弟常数 F (1891年) F = 6.0231023 电子/mol 1.60210-19 库仑/电子
1.602 库仑/电子 = 库仑/mol c /mol
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法拉弟定律的几个要点 F是基本物理常数之一 1. 电和化学反应相互作用的定量关系 Q = nZF
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法拉弟定律的几个要点 1. 电和化学反应相互作用的定量关系 2. 不受电极、外界条件的影响
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(1) NaCl (2) AgNO3 (3) FeBr3 e- e- i i Fe2+ Br2 Ag Ag+ H2 Cl2 Na+ H+
OH- Ag+ NO3- Fe+ Br+ 阴极 阳极 银阴极 银阳极 隋性 惰性 （隋性） 电解精炼 阴极 阴极 (1) NaCl (2) AgNO3 (3) FeBr3
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(1) 阴极上: H++e-1/2H2 气体产物 阳极上: Cl- 1/2Cl2+e- (2) 阴极上: Ag++e-Ag 固体产物 阳极上: AgAg++e- (3) 阴极上: Fe3++e-Fe2+ 溶液产物 阳极上: Br- 1/2Br2+e-
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法拉弟定律的几个要点 1. 电和化学反应相互作用的定量关系 2. 不受电极、外界条件的影响 3. 适用于多个电化学装置的多个反应（串联）
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e- e- i i H2 Ag+ Cl2 Ag Ag+ Cl- Ag+ Na+ H+ OH- H+ NO3- 阳极 阴极 银阴极 银阳极
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法拉弟定律的几个要点 1. 电和化学反应相互作用的定量关系 2. 不受电极、外界条件的影响 3. 适用于多个电化学装置的多个反应（串联）
4. 适用于单个电化学装置的多个反应（并联）
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银阴极 银阳极 Ag+ + e = Ag H+ + e = 1/2 H2 O2 e- e- i i Ag+ H2 Ag Ag+ Ag+
OH- OH- H+ NO3- NO3- H+ 银阴极 银阳极 Ag+ + e = Ag H+ + e = 1/2 H2
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电流效率 （一定物质量） （一定电量）
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物理化学 热力学 动力学 结构化学 量子化学 统计力学 电化学研究重点 溶液电化学 (电解质溶液) 平衡态电化学 电极过程 界(表)面电化学
固态电化学 光电化学 生物电化学 结构化学 量子化学 统计力学
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11-3. 电导、电导率、 摩尔电导率、 极限摩尔电导率 如何比较、测量和认识 不同电解质溶液的 导电能力
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区带电泳分离过程 逆流聚焦电泳分离过程 XYZ X Y Z X Y Z X + Y + Z X Y Z X Y Z （1） （2） （3）
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电子导体 离子导体 导电机制 自由电子 阴、阳离子 带电粒子 单一 多种 带电荷量 单一 多种（价态） 相互作用 不变 变（浓度）
电子导体 离子导体 导电机制 自由电子 阴、阳离子 带电粒子 单一 多种 带电荷量 单一 多种（价态） 相互作用 不变 变（浓度） 化学变化 无 有（电极反应） 温度影响 T升高、R升高 T升高、R降低
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