《電化學原理及其應(yīng)用》課件

《電化學原理及其應(yīng)用》本課程將深入探討電化學的基本原理及其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。課程介紹學習目標了解電化學的基本概念、原理和應(yīng)用。掌握電化學實驗技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法。培養(yǎng)解決實際問題的能力。課程內(nèi)容涵蓋電化學基本理論、電池、電解、腐蝕、電鍍、燃料電池、傳感器等主題。電化學的基本概念電化學反應(yīng)涉及電子轉(zhuǎn)移的化學反應(yīng)。電極導(dǎo)電材料，用于與電解質(zhì)溶液或氣體接觸。電解質(zhì)導(dǎo)電的溶液或熔融鹽，含有自由移動的離子。電流電荷流動的速率，由電極反應(yīng)驅(qū)動。電池的工作原理1化學能轉(zhuǎn)化為電能2氧化還原反應(yīng)一個電極發(fā)生氧化反應(yīng)，另一個電極發(fā)生還原反應(yīng)。3電子流動電子從負極流向正極，產(chǎn)生電流。4電勢差兩種電極之間的電勢差驅(qū)動電子流動。電化學過程中的電極電位E°標準電極電位在標準條件下測得的電極電位。E實際電極電位在非標準條件下測得的電極電位。法拉第定律電解電流通過電解質(zhì)溶液，發(fā)生化學反應(yīng)。質(zhì)量變化電解過程中，電極上沉積或溶解的物質(zhì)質(zhì)量與電量成正比。化學反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移1氧化反應(yīng)：失去電子2還原反應(yīng)：獲得電子3電子轉(zhuǎn)移過程氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)同時發(fā)生，電子從一個物質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一個物質(zhì)。離子濃差電勢1離子濃度梯度2電勢差離子濃度差異在電解質(zhì)溶液中形成電勢差。3Nernst方程描述離子濃差電勢與離子濃度之間的關(guān)系。膜電位的形成半透膜只允許某些離子通過，形成離子濃度差異。電勢差膜兩側(cè)的離子濃度差異形成電勢差，稱為膜電位。電離勢和電化學活性電離勢從原子或離子中移除一個電子所需的能量。電化學活性物質(zhì)參與電化學反應(yīng)的程度，與電離勢密切相關(guān)。吸附與脫附過程吸附物質(zhì)在固體表面積聚。脫附吸附的物質(zhì)從表面分離。電化學腐蝕1金屬腐蝕金屬與環(huán)境中的物質(zhì)發(fā)生電化學反應(yīng)，導(dǎo)致金屬材料損壞。2電化學腐蝕機理金屬表面形成微電池，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，金屬被氧化。3腐蝕的影響因素環(huán)境、溫度、金屬成分等因素都會影響腐蝕速率。電化學防護工業(yè)電解1電解生產(chǎn)氯堿通過電解食鹽水，生產(chǎn)氯氣、氫氣和氫氧化鈉。2電解生產(chǎn)鋁從氧化鋁中電解提取鋁金屬。3電解生產(chǎn)銅從含銅礦石中電解提取銅金屬。電鍍技術(shù)電鍍原理在金屬制品表面沉積一層金屬或合金，提高其耐腐蝕性、裝飾性或功能性。電鍍過程將被鍍金屬制品作為陰極，鍍層金屬作為陽極，在電解液中進行電解，將鍍層金屬離子沉積到制品表面。電鍍應(yīng)用廣泛應(yīng)用于電子、汽車、航空航天、建筑等領(lǐng)域。陽極氧化陽極氧化原理在金屬表面形成一層致密的氧化膜，提高其硬度、耐磨性、耐腐蝕性和裝飾性。陽極氧化過程將金屬制品作為陽極，在電解液中進行電解，在金屬表面形成氧化膜。陽極氧化應(yīng)用廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子等領(lǐng)域。燃料電池燃料電池將化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，具有高效、清潔、低污染等優(yōu)點。燃料與氧化劑反應(yīng)燃料與氧化劑在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生電流。應(yīng)用領(lǐng)域電動汽車、便攜式電源、航天器等。光電池1光電轉(zhuǎn)換2光子吸收半導(dǎo)體材料吸收光子，激發(fā)電子。3電子躍遷激發(fā)的電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電流。4應(yīng)用領(lǐng)域太陽能發(fā)電、光伏照明等。傳感器與電化學檢測pH傳感器測量溶液的酸堿度。氣體傳感器檢測氣體濃度，例如氧氣、二氧化碳等。生物傳感器利用生物材料檢測特定物質(zhì)，例如葡萄糖、膽固醇等。金屬電解提取電解冶金從礦石或廢料中提取金屬。電解過程將礦石或廢料作為陰極，金屬離子在電解液中發(fā)生還原反應(yīng)，沉積在陰極上。應(yīng)用領(lǐng)域鋁、銅、鋅、鎂等金屬的提取。電化學儲能技術(shù)鋰離子電池高能量密度、高功率密度。超級電容器快速充放電，高功率密度。燃料電池零排放，高能量效率。電化學動力學1電極反應(yīng)速率電極反應(yīng)發(fā)生的快慢程度。2影響因素電極材料、電解質(zhì)、溫度、電位等因素。3研究方法通過電化學實驗測量電極反應(yīng)速率，并建立動力學模型。電極動力學1電荷轉(zhuǎn)移電子從電極轉(zhuǎn)移到反應(yīng)物或反之。2物質(zhì)擴散反應(yīng)物或產(chǎn)物在電解質(zhì)溶液中擴散。3表面反應(yīng)反應(yīng)物在電極表面發(fā)生化學反應(yīng)。半導(dǎo)體電化學半導(dǎo)體材料具有導(dǎo)電性和絕緣性之間的性質(zhì)，例如硅、鍺等。電荷分離光照射半導(dǎo)體材料，激發(fā)電子和空穴，形成電荷分離。電化學反應(yīng)電子和空穴參與電化學反應(yīng)，產(chǎn)生電流。電催化電催化劑加速電化學反應(yīng)的催化劑。催化作用降低反應(yīng)活化能，提高反應(yīng)速率。應(yīng)用領(lǐng)域燃料電池、電解、傳感器等。生物電化學生物電化學反應(yīng)生物分子與電極之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移的反應(yīng)。生物傳感器利用生物材料檢測特定物質(zhì)，例如葡萄糖、膽固醇等。應(yīng)用領(lǐng)域生物醫(yī)學診斷、環(huán)境監(jiān)測等。電化學環(huán)境保護污染物去除利用電化學方法去除廢水中的重金屬、有機物等污染物。土壤修復(fù)利用電化學方法修復(fù)被污染的土壤。電化學能源轉(zhuǎn)換與儲存1太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。2燃料電池將化學能直接轉(zhuǎn)化為電能。3電化學儲能將電能儲存在化學物質(zhì)中，例如鋰離子電池、超級電容器。固體電解質(zhì)1固體電解質(zhì)2離子導(dǎo)電固體材料中離子可以移動，形成電流。3應(yīng)用領(lǐng)域固態(tài)電池、燃料電池、傳感器等。離子液體與電化學離子液體在室溫下呈液態(tài)的鹽類化合物，具有高離子導(dǎo)電率、高熱穩(wěn)定性等特點。電化學應(yīng)用電解、電鍍、儲能、傳感器等。微流控電化學微流控芯片微米尺度的通道，用于