中科院應(yīng)化所電極過(guò)程課件電化學(xué)與電分析基礎(chǔ)ECKeCh

電化學(xué)與電分析化學(xué)基礎(chǔ)電化學(xué)基本概念電極電極是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的地方。它可以是金屬、半導(dǎo)體或?qū)щ姴牧?。電解質(zhì)電解質(zhì)是一種可以導(dǎo)電的物質(zhì)。它可以是溶液、熔融鹽或固體。電解池電解池是一個(gè)用于電解的裝置，它可以將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。原電池原電池是一個(gè)用于將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。電勢(shì)與標(biāo)準(zhǔn)電極電位電勢(shì)衡量電極反應(yīng)中電子傾向的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)電極電位在標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)得的電極電位電極電位的測(cè)定1標(biāo)準(zhǔn)氫電極標(biāo)準(zhǔn)氫電極(SHE)作為電極電位的參考點(diǎn)，其電位被定義為0伏特。2測(cè)量方法通過(guò)測(cè)量與SHE之間的電勢(shì)差來(lái)測(cè)定電極電位，這需要一個(gè)測(cè)量電極和一個(gè)參考電極。3儀器使用高阻抗伏特計(jì)或pH計(jì)進(jìn)行測(cè)量。半電池與電池半電池由一個(gè)金屬電極和與其接觸的電解質(zhì)溶液組成。電池由兩個(gè)半電池組成，通過(guò)鹽橋或多孔隔膜連接，形成閉合回路。法拉第電化學(xué)定律1電解電解是利用電流驅(qū)動(dòng)非自發(fā)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程2電量電解過(guò)程中，通過(guò)電極的電量與發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的量成正比3法拉第常數(shù)法拉第常數(shù)是電解過(guò)程中電量與電化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的量的比例常數(shù)4應(yīng)用法拉第電化學(xué)定律在電化學(xué)分析、電鍍、電解制備等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用電解過(guò)程1電解池電解池是一個(gè)包含兩個(gè)電極和電解質(zhì)溶液的裝置，用于通過(guò)電解實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)。2電流通過(guò)當(dāng)電流通過(guò)電解池時(shí)，在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì)的分解或合成。3陽(yáng)極與陰極陽(yáng)極是氧化反應(yīng)發(fā)生的電極，陰極是還原反應(yīng)發(fā)生的電極。4電解產(chǎn)物電解過(guò)程會(huì)產(chǎn)生各種電解產(chǎn)物，取決于電解質(zhì)溶液的成分和電極材料。電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)1電化學(xué)反應(yīng)速率反應(yīng)速率受電極電位、濃度和溫度影響.2電極過(guò)程電子轉(zhuǎn)移、物質(zhì)傳遞和表面反應(yīng)相互影響.3電極反應(yīng)機(jī)制研究反應(yīng)步驟、速率常數(shù)和控制步驟.Butler-Volmer方程電極過(guò)程電化學(xué)反應(yīng)速率與電極電位之間的關(guān)系描述了電極反應(yīng)的凈電流核心概念描述了電極過(guò)程的正向和反向電流包含交換電流密度和傳遞系數(shù)電極表面過(guò)程1電子轉(zhuǎn)移電極和溶液之間電子傳遞2物質(zhì)傳遞反應(yīng)物和產(chǎn)物在電極和溶液之間擴(kuò)散3化學(xué)反應(yīng)電極表面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)電極動(dòng)力學(xué)方程1電流密度反應(yīng)速率與過(guò)電位成正比2電子傳遞涉及電子轉(zhuǎn)移步驟3質(zhì)量傳遞反應(yīng)物和產(chǎn)物在電極表面上的擴(kuò)散阻抗譜分析頻率響應(yīng)測(cè)量不同頻率下的電化學(xué)系統(tǒng)阻抗。界面信息揭示電極/電解質(zhì)界面過(guò)程，如電荷轉(zhuǎn)移、擴(kuò)散、雙電層等。參數(shù)分析提取電化學(xué)參數(shù)，如電荷轉(zhuǎn)移電阻、雙電層電容等。線性掃描伏安法電位掃描電位以恒定速率線性變化，從起始電位到最終電位。電流響應(yīng)記錄對(duì)應(yīng)電位下的電流變化，得到伏安曲線。峰值分析分析伏安曲線的峰值位置、峰值電流和峰值形狀。循環(huán)伏安法1電極電位在特定范圍內(nèi)線性掃描2電流響應(yīng)記錄電流變化3伏安曲線描繪電位與電流關(guān)系計(jì)量電量滴定法時(shí)間控制通過(guò)控制電解時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)電解的定量控制。電流控制電解過(guò)程中，保持電流恒定，并通過(guò)測(cè)量電解時(shí)間來(lái)確定電解量。滴定方式通過(guò)電解生成的物質(zhì)滴定待測(cè)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)定量分析。電位滴定法原理電位滴定法是基于測(cè)量滴定過(guò)程中溶液電位的變化來(lái)確定滴定終點(diǎn)的方法用已知濃度的滴定液滴定待測(cè)液，并用指示電極和參比電極測(cè)量溶液電位的變化應(yīng)用適用于各種物質(zhì)的滴定，例如酸堿滴定、沉淀滴定、絡(luò)合滴定和氧化還原滴定電導(dǎo)滴定法原理基于溶液電導(dǎo)率變化的滴定方法。應(yīng)用用于測(cè)定弱酸、弱堿、鹽類等物質(zhì)的濃度。優(yōu)勢(shì)快速、簡(jiǎn)便、靈敏度高。電位串聯(lián)法測(cè)量原理電位串聯(lián)法是利用電位差測(cè)量來(lái)確定溶液中某一離子濃度的方法.應(yīng)用范圍適用于測(cè)定溶液中多種離子的濃度,特別適用于分析混合體系.優(yōu)勢(shì)高靈敏度,可用于痕量分析;操作簡(jiǎn)便,不需要復(fù)雜的儀器.庫(kù)侖法電解池庫(kù)侖法是在恒電流條件下，通過(guò)測(cè)量電解過(guò)程中通過(guò)的電量來(lái)確定物質(zhì)的量。電化學(xué)傳感器庫(kù)侖法廣泛應(yīng)用于電化學(xué)傳感器領(lǐng)域，用于檢測(cè)和量化各種物質(zhì)。電流積分法計(jì)時(shí)精確測(cè)量電解時(shí)間。電流積分對(duì)電解過(guò)程中電流進(jìn)行積分。物質(zhì)定量根據(jù)法拉第定律計(jì)算電解產(chǎn)物的量。電位靜止法測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，可達(dá)幾十分鐘或幾小時(shí)使用高阻抗伏特計(jì)，不產(chǎn)生明顯的電流適用于各種體系，特別是難溶鹽的測(cè)定電位差滴定法電位計(jì)用于測(cè)量溶液的電位，并用于滴定終點(diǎn)的指示。滴定曲線通過(guò)繪制電位與滴定劑體積的關(guān)系圖來(lái)進(jìn)行滴定終點(diǎn)判斷。離子選擇電極敏感性離子選擇電極對(duì)特定離子具有高度選擇性，能夠區(qū)分溶液中各種離子。應(yīng)用范圍廣泛應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)、環(huán)境分析、食品安全、臨床診斷等領(lǐng)域，可用于測(cè)定各種離子的濃度。操作簡(jiǎn)便離子選擇電極操作簡(jiǎn)單，易于使用，可用于現(xiàn)場(chǎng)分析，提供快速、準(zhǔn)確的結(jié)果?；瘜W(xué)傳感器化學(xué)傳感器是一種將化學(xué)信息轉(zhuǎn)化為可測(cè)量電信號(hào)的裝置，可以用于檢測(cè)各種化學(xué)物質(zhì)，包括氣體、液體和固體。化學(xué)傳感器通常包含一個(gè)敏感元件和一個(gè)轉(zhuǎn)換元件。敏感元件負(fù)責(zé)識(shí)別目標(biāo)分析物，并產(chǎn)生相應(yīng)的化學(xué)信號(hào)。轉(zhuǎn)換元件將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，以便進(jìn)行測(cè)量和分析。電化學(xué)檢測(cè)靈敏度高電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)到痕量物質(zhì)，甚至可以達(dá)到ppb級(jí)。選擇性強(qiáng)電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)可以針對(duì)特定物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，減少干擾信號(hào)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物質(zhì)的變化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分析。電化學(xué)分析原理1電化學(xué)反應(yīng)電化學(xué)分析是基于電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行物質(zhì)定量分析的方法，通過(guò)測(cè)量電化學(xué)信號(hào)來(lái)確定物質(zhì)的濃度或性質(zhì)。2電化學(xué)信號(hào)常見的電化學(xué)信號(hào)包括電流、電壓、電阻等，這些信號(hào)的變化與物質(zhì)的濃度或性質(zhì)密切相關(guān)。3分析方法電化學(xué)分析方法包括伏安法、庫(kù)侖法、電位法、電導(dǎo)法等，可用于定量分析、定性分析、結(jié)構(gòu)分析等。電分析化學(xué)技術(shù)伏安法伏安法是一種通過(guò)測(cè)量電流和電位的變化來(lái)研究電化學(xué)反應(yīng)的技術(shù)。庫(kù)侖法庫(kù)侖法是基于法拉第定律，通過(guò)測(cè)量電解過(guò)程中消耗的電量來(lái)測(cè)定物質(zhì)的量。電位法電位法利用電極電位變化來(lái)測(cè)定溶液中物質(zhì)的濃度或活度。電導(dǎo)法電導(dǎo)法通過(guò)測(cè)量溶液的電導(dǎo)率來(lái)測(cè)定溶液中物質(zhì)的濃度。電化學(xué)分析技術(shù)應(yīng)用環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)水體、土壤和空氣中的污染物，如重金屬、農(nóng)藥和有機(jī)污染物。食品安全檢測(cè)食品中的添加劑、農(nóng)藥殘留、細(xì)菌和重金屬，保障食品安全。醫(yī)藥分析藥物分析、藥物代謝研究、生物傳感器開發(fā)等，推動(dòng)醫(yī)藥科學(xué)發(fā)展。材料科學(xué)研究材料的電化學(xué)性質(zhì)，例如腐蝕、電鍍、電池和燃料電池等。電化學(xué)分析新進(jìn)展納米材料納米材料在電化學(xué)分析中的應(yīng)用為提高靈敏度和選擇性提供了新的途徑。人工智能人工智能技術(shù)正在推動(dòng)電化學(xué)分析的自動(dòng)化和智能