物理化學課件：電化學

2023物理化學課件：電化學目錄contents電化學概述電化學基礎知識電化學反應動力學電化學平衡與電極反應電化學應用電化學研究前沿01電化學概述電化學是研究電和化學反應相互關系的科學電化學主要研究電能和化學能之間的相互轉化，涉及電子在分子或原子間的轉移。電化學具有獨特的特點電化學具有自己的獨特特點，包括界面現(xiàn)象、電子轉移和擴散等。這些特點使得電化學在能源、環(huán)境、材料等領域有著廣泛的應用。電化學的定義與特點電化學的發(fā)展歷程電化學的起源可以追溯到1780年意大利科學家Galvani的研究：Galvani發(fā)現(xiàn)了動物電，揭示了電和生命之間的關系。1834年，英國科學家Grove提出了“法拉第定律”，標志著電化學進入了新的發(fā)展階段：法拉第定律描述了電流和電壓之間的關系，為電化學的發(fā)展奠定了基礎。20世紀以來，電化學在理論和實驗方面都取得了重大進展：隨著理論和實驗技術的不斷發(fā)展，電化學逐漸成為一門獨立的學科，并在多個領域得到廣泛應用。電化學在能源領域有著廣泛的應用在能源領域，電化學可以用于太陽能電池、燃料電池、電池儲能技術等方面。電化學在環(huán)境領域也有著重要的應用在環(huán)境領域，電化學可以用于水處理、污染物降解、空氣凈化等方面。電化學在材料領域同樣有著廣泛的應用在材料領域，電化學可以用于材料合成、材料改性、功能材料制備等方面。此外，電化學還可以應用于分析科學、生物醫(yī)學等領域。電化學的應用領域02電化學基礎知識電極帶電的物質表面或界面，具有載流子和電位；電解質在溶解或熔融狀態(tài)下能導電的化合物，如酸、堿、鹽等。電極與電解質溶液電極電勢在電極上施加一定的電位后，電極與參考電極之間的電勢差；電解質溶液的導電性能與溶液中離子濃度、離子遷移率、離子電荷數(shù)等因素有關。電極電勢與電解質溶液的導電性能物質之間電子轉移的反應，如電池反應；電化學反應的基本過程氧化還原反應電子從一個原子或離子轉移到另一個原子或離子的反應；電子轉移反應在電極上進行的電子轉移反應，包括還原反應和氧化反應。電極反應03電化學反應動力學電化學反應速率是指單位時間內反應物或產(chǎn)物的濃度變化率。反應速率定義電化學反應速率受反應物的濃度、溫度、電解質溶液的離子強度、電極材料和反應條件等因素影響。影響因素電化學反應速率及其影響因素歷程電化學反應的歷程是指從反應物到產(chǎn)物的過程中，各個中間步驟和相互轉化的過程。機理電化學反應的機理是指反應過程中的熱力學和動力學過程，包括電子轉移、化學鍵斷裂和形成等。電化學反應的歷程與機理電化學反應的動力學方程是指描述電化學反應速率與反應物濃度、溫度等因素之間的定量關系式。電化學反應的動力學方程根據(jù)電化學反應的歷程和機理，結合質量作用定律和Arrhenius方程等基本原理，推導得到電極反應的動力學方程。電極反應的動力學方程可以用來預測和描述電化學反應的速率和規(guī)律，有助于理解電化學反應的本質和指導電化學工業(yè)過程的設計和控制。電極反應動力學方程電極反應動力學方程的推導電極反應動力學方程的意義04電化學平衡與電極反應標準電動勢在標準狀態(tài)下，即各反應物和生成物的壓力均為標準壓力（101.325kPa）時，電化學反應的電動勢。平衡常數(shù)描述電化學反應達到平衡狀態(tài)時反應物和生成物之間的濃度關系。溫度溫度對電化學反應平衡常數(shù)和標準電動勢均有影響。電化學平衡及其影響因素電極反應速率電極反應的速率取決于反應物的擴散、反應物在電極表面的吸附、反應物在電極表面上的反應以及反應產(chǎn)物的脫附和擴散。電極過程包括電荷傳遞過程和物質傳遞過程，前者涉及電子的轉移，后者涉及反應物和產(chǎn)物的傳遞。電極反應動力學與電極過程電極反應的速率與影響因素不同電極材料的表面結構、活性不同，對電極反應的速率有不同的影響。電極材料溫度電解質濃度電流密度提高溫度可以加快電極反應速率，但也會導致副反應增加和能耗增加。增大電解質濃度可以增加電極反應速率，但也會導致溶液電阻增加和副反應增加。增大電流密度可以增加電極反應速率，但也會導致過電位增加和電極損耗增加。05電化學應用電解：在外部電流通過電解質時，電解質內部發(fā)生化學反應的過程。分直流電解和交流電解兩種。直流電解應用：水溶液的電解、熔融無機電解。交流電解應用：電鍍、電冶金。電鍍：應用電解原理在某些金屬表面鍍上一薄層另一種金屬或合金的過程。陽極：鍍層金屬。陰極：被鍍金屬。鍍層金屬陽離子在陰極放電，轉移到溶液中，然后結合到陰極表面。電解與電鍍電池將化學能直接轉化為電能的裝置。燃料電池將燃料的化學能直接轉化為電能的裝置。原電池將化學反應轉化為電能。氫氧燃料電池以氫氣和氧氣為燃料。蓄電池將電能儲存為化學能。甲烷燃料電池以甲烷和氧氣為燃料。電池與燃料電池電子轉移反應與電化學合成可分為可逆的和不可逆的電子轉移反應。電化學合成：利用電化學手段制備無機和有機化合物的過程。電化學氧化：在陽極上提供電子，用于合成無機化合物。電化學還原：在陰極上提供電子，用于合成有機化合物。電子轉移反應：在電化學反應中，電子從一個電極轉移到另一個電極的過程。06電化學研究前沿電動汽車、可再生能源、電網(wǎng)儲能電化學儲能技術是一種將電能轉化為化學能的技術，主要通過電池、超級電容器等電化學儲能器件實現(xiàn)。在電動汽車、可再生能源和電網(wǎng)儲能等領域，電化學儲能技術具有高能量密度、快速充放電、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，是解決能源危機和環(huán)境污染等問題的重要技術之一。電化學儲能技術電化學催化與電化學合成高分子材料反應機理、催化劑設計、材料性能優(yōu)化電化學催化是一種在電極表面進行的催化反應，可用于制備高分子材料和精細化學品。電化學合成高分子材料則直接利用電能驅動聚合反應，避免了傳統(tǒng)聚合方法中使用的高溫高壓和引發(fā)劑等危險物質。電化學催化與電化學合成高分子材料的深入研究需要從反應機理、催化劑設計、材料性能優(yōu)化等方面展開。檢測技術、生物分子相互作用、生物醫(yī)學診斷電化學傳感器是一種利用電化學原理檢測物質的