电化学与生活
（哈尔滨工业大学能源学院）
摘要：电化学作为化学学科中对社会影响极为广泛的一部分是一个极为重要的学科。本文主要简单介绍了电化学对人们日常生产生活方面的影响和电化学的相关原理，并对原电池和电解池等电化学典型案例进行结构分析和原理介绍。同时将电化学在生活中的具体问题进行了分析，并找出了电化学与人类社会发展之间密不可分的联系。
关键词：电化学，电解池，原电池，氧化还原反应，金属腐蚀，电子转移
一、引言
化学是一门以实验为主的学科，但同时也是用途十分广泛的一门学科，它说涵盖的内容涉及到了人类发展的各个方面，从社会到生活，从学习到工作，从学校到工厂，化学的影子无处不在。化学学科的具体分类分为无机化学，有机化学，物理化学，分析化学，高分子化学，核化学和生物化学等。而本文将要讨论的电化学就是隶属于物理化学科目下的具体学科。
电化学是研究电和化学反应相互关系的科学。电和化学反应相互作用可通过电池来完成，也可利用高压静电放电来实现（如氧通过无声放电管转变为臭氧），二者统称电化学，后者为电化学的一个分支，称放电化学。电化学是研究两类导体形成的带电界面现象及其上所发生的变化的科学。如今已形成了合成电化学、量子电化学、半导体电化学、有机导体电化学、光谱电化学、生物电化学等多个分支。电化学在化工、冶金、机械、电子、航空、航天、轻工、仪表、医学、材料、能源、金属腐蚀与防护、环境科学等科技领域获得了广泛的应用。当前世界上十分关注的研究课题, 如能源、材料、环境保护、生命科学等等都与电化学以各种各样的方式关联在一起。
二、电化学的相关原理
电化学基本原理就是我们在高中时再熟悉不过的氧化还原反应，通过两种物质或在经过中间物质的电子转移来实现电解或发电等相应的化学反应。电化学反应主要包括电解池反应和原电池反应。
1.原电池反应
原电池是主要是利用两个电极之间金属活动性的不同，产生电势差，从而使电子的流动，产生电流。多数原电池的反应是不可逆的，即是只能将化学能转换为电能，而不能像蓄电池那样将电能与化学能相互转化。其中在负极发生氧化反应，即失去电子的反应；正极发生还原反应，即得到相应电子的反应。
原电池的发明历史可追溯到18世纪末期，当时意大利生物学家伽伐尼正在进行著名的青蛙实验，当用金属手术刀接触蛙腿时，发现蛙腿会抽搐。大名鼎鼎的伏打认为这是金属与蛙腿组织液（电解质溶液）之间产生的电流刺激造成的。1800年，伏打据此设计出了现在
被称为伏打电堆的装置，锌为负极，银为正极，用盐水作电解质溶液。1836年，丹尼尔发
明了世界上第一个实用电池，并用于早期铁路信号灯。
原电池主要由三部分组成，分别是两个半电池，盐桥和导线。其中两个半电池上的一般是两种金属活动性相差较大的金属，而铅蓄电池和燃料电池等原电池的两极则是由化合物或燃料气体组成的，它们也是通过相应的化学反应来确保电子的定向转移的。构成原电池时，将这两种金属极板浸泡在相应的电解质溶液中，在电解质外两种金属极板通过导线相连接，以此来保证电子在原电池中的通常运行。
以我们在学校中最常见到的铜锌原电池为例，它就是以锌电极作为负极，铜电极作为阳极。将两块电极分别放在装有硫酸锌溶液和硫酸铜溶液两个烧杯中，由于锌的活动性远强于铜，所以锌极就是该原电池的负极，铜极就是原电池的正极，在在两个烧杯之间用装有氯化钾的盐桥来进行电子转移时的平衡。
2.电解池反应
使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极上引起氧化还原反应的过程叫做电解。把电能转变为化学能的装置叫做电解池或电解槽。电解池的阴极就是与电源负极相连的电极；阳极就是与电源正极相连的电极。
电解池反应与原电池反应的原理正好相反，一个是由化学能转变为电能，另一个是将电能转变为化学能。具体的应用有电解饱和食盐水来制取氯气、氢气以及氢氧化钠，电镀应用，金属防护以及冶炼金属等用途。其中电解饱和食盐水又被称为氯碱工业，在工业生产上有着很广泛的用途，可以用来进行较为纯净的氢气和氯气的制取。电镀则是被广泛应用与汽车、船舶以及大部分精密仪器的制造行业。金属防护则是通过在要防护的表面嵌入活性较强的金属块来参与氧化还原反应来代替保护金属进行腐蚀。而电解池反应在冶炼金属上的应用则是体现在电解熔融活泼金属氧化物，如三氧化二铝等氧化物。
3.电化学腐蚀
金属表面由于外界介质的化学或电化学作用而造成的变质及损坏的现象或过程称为腐蚀。介质中被还原物质的粒子在与金属表面碰撞时取得金属原子的价电子而被还原，与失去价电子的被氧化的金属“就地”形成腐蚀产物覆盖在金属表面上，这样一种腐蚀过程称为化学腐蚀。由于金属是电子的良导体，如果介质是离子导体的话，金属被氧化与介质中被还原的物质获得电子这两个过程可以同时在金属表面的不同部位进行。金属被氧化成为正价离子（包括配合离子）进入介质或成为难溶化合物（一般是金属的氧化物或含水氧化物或金属盐）留在金属表面。这个过程是一个电极反应过程，叫做阳极反应过程。被氧化的金属所失去的电子通过作为电子良导体的金属材料本身流向金属表面的另一部位，在那里由介质中被还原的物质所接受，使它的价态降低，这是阴极反应过程。在金属腐蚀学中，习惯地把介质中接受金属材料中的电子而被还原的物质叫做去极化剂。经这种途径进行的腐蚀过程，称为电化学腐蚀。在腐蚀作用中最为严重的是电化学腐蚀，它只有在介质中是离子导体时才能发生。即便是纯水，也具有离子导体的性质。在水溶液中的腐蚀，最常见的去极化剂是溶于水中的氧(O2)。
二、电化学在生活中的应用
首先，说一下电化学在我们日常生活中的作用。或许，平时人们没有认识到电化学在生活中的作用，但其实它们的影子无处不在。就以电镀为例，电镀可以增加物品的光泽，达到美观的效果兼防止锈蚀，如餐具、汽机车的零件等。或只用来防止锈蚀，如马口铁、镀锌的缆线绳索等。也可镀硬铬以提高表面硬度，增加耐磨耗性。
电镀技术中，铜电沉积是近年内工业界最重要的技术之一。目前，铜沉积层用在许多领域，如印刷电路板材料电解铜箔、超大规模集成电路里铜金属化制程、印刷电路板穿孔电镀与铜金属凸块制程等。铜金属薄膜有许多沉积技术，如电镀法、物理气相沉积、雷射退火回流法以及化学气相沉积法等。其中，电镀法（电沉积铜）具有低成本、高产率、高质量的铜膜、良好的孔洞填沟能力等，优点最多。无电电镀是沉积薄膜金属层的另一种电化学方法。就是在无需外加电压的情形下，把溶液中的金属离子藉由自动催化的化学反应方式，沉积在固体表面上。这种反应程序与电镀极为类似，不同的是反应发生时，电子传递并不经由外部导线，而是藉由溶液中的物质在固体表面上发生反应的同时，直接进行传递。
无电电镀的基本原理，乃是利用与金属离子与共同存在于镀液中的还原剂，在固体表面上，藉由化学反应将金属离子还原成固态金属，而逐层沉积于固体表面上。由于此氧化还原反应仅在具有活性物质的固态表面上发生，故无电电镀的施行，并不会因为镀件的表面形状、大小或是否导电等因素而受到限制。因此，若想要在非导体如硅晶圆或塑料等的表面上沉积金属层，利用无电电镀是一种兼具便利与效率的方法。
由此可见，电化学与我们的生活息息相关，为人类社会的发展提供了很多优质便利的方
法，具有极其重要的意义。而我们当代的大学生更应该学好电化学，并努力将其应用在以后的工作和生活中。
参考文献
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物理化学综述 综述题目：电化学在环境保护中的应用 电化学在环境保护中的应用 摘要 摘要概述了电化学在环境保护中的优越性,综述了电化学处理环境污染物 的基本方法, 总结了电化学技术在环境污染治理中的应用,分析了电化学 体系存在的问题,展望了电化学在环境治理领域的应用前景和发展方向。 电化学技术处理环境污染物的基本方法电化学技术处理环污染物常用的基本方法有电化学氧化、电化学还原、光电化学氧化、电渗析、电吸附、电凝聚、电沉积、电化学膜分离等。 关键词环境保护; 电化学技术; 环境污染物 Abstract Summarizes the advantages of electrochemistry in environmental protection, electrochemical process and the basic methods of environmental pollutants were reviewed, summarized the application of electrochemistry techno logy in
environmental pollution control, analyzes the existing problems of electrochemistry system, prospects the electrochemical application prospect and development direction in the field of environmental governance. Electrochemical technology processing the basic ways of environmental pollutants by electrochemical technology processing ring pollutants commonly used basic method has electrochemical oxidation, electrochemical reduction, photoelectrochemical oxidation, electrodialysis, the electric adsorption, electrocoagulation, electrodeposition, electrochemical membrane separation, etc. Key words environmental protection; The electrochemical technology; Environmental pollutants 前言 电化学含义 电化学是研究电和化学反应相互关系的科学。电和化学反应相互作用可通过电池来完成，也可利用高压静电放电来实现（如氧通过无声放电管转变为臭氧），二者统称电化学，后者为电化学的一个分支，称放电化学。由于放电化学有了专门的名称，因而，电化学往往专门指“电池的科学” 在物理化学的众多分支中，电化学是唯一以大工业为基础的学科。它的应用分为以下几个方面：①电解工业，其中的氯碱工业是仅次于合成氨和硫酸的无机物基础工业、耐纶66的中间单体己二腈是通过电解合成的；铝、钠等轻金属的冶炼，铜、锌等的精炼也都用的是电解法；②机械工业
新型电化学装置的原理分析 1.用粗硅做原料,熔融盐电解法制取硅烷的原理如图。下列叙述正确的是( ) A.电源的B极为负极 B.可选用石英代替粗硅 C.电解时,熔融盐中Li+向粗硅移动 D.阳极反应:Si+4H--4e-SiH4↑ D【微探究】根据装置图可知,该装置为电解池,总反应为Si+2H2SiH4。H2生成H-,发生还 原反应,Si发生氧化反应。根据电解池原理,阴极发生还原反应,阳极发生氧化反应,故通入H2的那一极是阴极,故A极是负极,B极是正极,A项错误;阳极粗硅失电子,若换成石英,即SiO2,SiO2中Si 已经是+4价,无法再失电子,B项错误;电解时,熔融盐中Li+向阴极移动,C项错误;阳极粗硅生成SiH4,故电极反应为Si+4H--4e-SiH4↑,D项正确。 [微纠错] 易错点一:原电池和电解池没有正确区分,此装置有外接电源,属于电解池;易错点二:受思维定势影响,不能注意到此电解池的工作环境是非水体系;易错三:不能正确判断电解质中传导的带电粒子,电子不能直接通过熔融电解质或电解质溶液,此装置中电解质中存在的可以自由移动的离子有Li+、Cl-、H-。 2.纳米氧化亚铜在制作陶瓷等方面有广泛应用。利用电解的方法可得到纳米Cu2O,电解原理如图所示。下列有关说法不正确的是( ) A.b极为负极 B.铜极的电极反应式为2Cu-2e-+2OH-Cu2O+H2O C.钛极附近逸出O2
D.每生成1 mol Cu2O,理论上有2 mol OH-从离子交换膜左侧向右侧迁移 C【微探究】铜为阳极,钛为阴极,阴极与负极相连,所以b极为负极,A项正确;铜极上发生氧化反应生成氧化亚铜,B项正确;C项,钛极的电极反应式为2H2O+2e-2OH-+H2↑,C项错误;左侧生成OH-,右侧消耗OH-,且每生成1 mol Cu2O时,消耗2 mol OH-,为维持电荷平衡,则理论上有2 mol OH-从离子交换膜左侧向右侧迁移,D项正确。 3.研究人员研制出一种可快速充、放电的超性能铝离子电池,其中Al、C n为电极,由有机阳离子与阴离子(AlC l4-、Al2C l7-)组成的离子液体为电解质。如图为该电池放电过程示意图。下列说法错误的是( ) A.充电时,Al做阴极,C n做阳极 B.充电时,每生成1 mol铝,同时消耗4 mol Al2C l7- C.放电时,电解质中的有机阳离子向铝电极移动 D.放电时,正极反应式为C n[AlCl4]+e-C n+AlC l4- C【微探究】由图示可知,该电池放电时,Al做负极,C n做正极,因此充电时,Al做阴极,C n做阳极,A项正确;充电时,阴极反应式为4Al2C l7-+3e-Al+7AlC l4-,B项正确;放电时,电解质中的有机阳离子向正极(C n电极)方向移动,C项错误;放电时,正极反应式为C n[AlCl4]+e-C n+AlC l4-,D项正确。 4.如图所示是一种以液态肼(N2H4)为燃料,氧气为氧化剂,某固体氧化物为电解质的新型燃料电池。该固体氧化物电解质的工作温度在700~900 ℃时,O2-可在该固体氧化物电解质中自由移动,反应产物均为无毒无害的物质。下列说法正确的是( )
污水处理电化学处理技术 高级氧化技术一般针对难降解有机废水，如医药、化工、染料工业废水以及含有难处理的有毒物质物质等。 第一节电化学处理技术 一、基本原理与特点 1. 原理 电化学氧化法主要用于有毒难生物降解有机废水的处理，电化学水处理技术的基本原理是使污染物在电极上发生直接电化学反应或间接电化学而得到转化，从而达到削减和去除污染物的目的。根据不同的氧化作用机理，可分为直接电解和间接电解。 1 ) 直接电解 直接电解是指污染物在电极上直接被氧化或还原而从废水中去除今直接电解可分为阳极过程和阴极过程。阳极过程就是污染物在阳极表面氧化而转化成毒性较小的物质或易生物降解的物质，甚至发生有机物无机化，从而达到削减、去除污染物的目的。阴极过程就是污染物在阴极表面还原而得以去除，阴极过程主要用于卤代经的还原脱卤和重金属的回收，如卤代有机物的卤素通过阴极还原发生脱卤反应，从而可以提高有机物的可生化性。 直接电解过程伴随着氧气析出，氧的生成使氧化降解有机物的电流效率降低，能秏升高，因此，阳极材料对电解的影响很大。 2 ) 间接电解 间接电解是指利用电化学产生的氧化还原物质作为反应剂或催化剂，使污染物转化成毒性小的物质。间接电解分为可逆过程和不可逆过程。可逆过程（媒介电化学氧化）是指氧化还原物在电解过程中可电化学再生和循环使用。不可逆过程是指利用不可逆电化学反应产生的物质，如具有强氧化性的氯酸盐、次氯酸盐、H202和O2等氧化有机物的过程，还可以利用电化学反应产生强氧化性的中间体，包括溶剂化电子、?HO、?H02/02 等自由基。 2. 电化学水处理技术的特点 1) 电化学方法既可以单独使用，又可以与其他处理方法结合使用，如作为前处理方法，可以提高废水的生物降解性； 2) 一般电化学处理工艺只能针对特定的废水，处理规模小，且处理效率不高； 3)有的电化学水处理工艺需消耗电能，运行成本大。 二、电化学反应器与电极 电化学反应器按反应器的工作方式分类可分为：间歇式、置换流式和连续搅拌箱式电化学反应器。按反应器中工作电极的形状分类可分为二维电极反应器、三维电极反应器。二维电极呈平面或曲面状，电极的形状比较简单，如平板、圆柱电极。电极反应发生于电极表面上，其电极表面积有限，比表面积极小，但电势和电流在表面上分布比较均匀。三维电极的结构复杂，通常是多孔状。电极反应发生于电极内部，整个三维空间都有反应发生。特点是比表面积大，床层结构紧密，但电势和电流分布不均匀。下列出了常见电化学反应器的电极类型。
3 氧化还原与电化学 一、实验目的 1.了解原电池的组成及其电动势的粗略测定； 2.认识浓度、介质的酸碱性对氧化还原的影响； 3．认识一些中间价态物质的氧化还原性； 4.了解电化学腐蚀的基本原理及其防止的方法。 二、实验原理 1.原电池组成和电动势 利用氧化还原反应产生电流的装置叫做原电池。 原电池负极氧化反应 正极还原反应 正负极间必须用盐桥连接。 原电池电动势应为 2.浓度、介质对电极电势和氧化还原反应的影响 （1）浓度对电极电势的影响 例如： （2）介质的酸碱性对电极电势的影响 例如： (a) 2Zn e -2Zn +=22Cu e Cu ++=E E ??=正 - 负 22Zn e Zn +-=2220.059 Zn /Zn Zn /Zn lgc(Zn )2+θ++?=?+ 32C 1O 6H 6e C 13H O -+- +++? 1.45V θ?=3 3 63 C1O /C1C1O /C1[c(C1O )/c ][c(H )/c ]0.0591g 6[c(C1)/c ] - - -- - +-=+θθθ ??
(b) (c) (d) 3．物质的氧化还原性 例如 4.电化学腐蚀及其防止 吸氧腐蚀阳极 阴极 差异充气腐蚀 表面处高大，为阴极； 深处低，小，为阳极。 防腐蚀可用牺牲阳极法、外加电流法、缓蚀剂法。乌洛托品（六次甲基四胺）可作钢铁在酸性介质中的缓蚀剂。 三、仪器和药品 1.仪器 直流伏特计（0~3 V ）（公用）盐桥（公用）① 242MnO 8H 5e Mn 4H O -++ +++?22448 42MnO /Mn MnO /Mn [c(MnO )/c ][c(H )/c ]0.0591g 5[c(Mn )/c ] -+-+ -θ+θθ +θ?=? +422MnO 2H O 3e MnO (s)4OH -- +++?MnO /MnO 4 2 4 2 44 MnO /MnO [c(MnO )/c ]0.0591g 3[c(OH )/c ]---θ θ -θ?=?+()244MnO e MnO --????→+←????强碱介质224 444 42MnO /MnO MnO /MnO 4[c(MnO )/c ]0.0591g [c(MnO )/c ] -----θ θ -θ?? +?2242PbS 4H O HAcPbSO ()4H O +↓+白色2422222MnO 6H 5H O 2Mn 5O 8H O -++ ++=++2Fe Fe 2e + =+22O 2H O 4e 4OH - ++=22 2O 4 O /OH O /OH p /p 0.059 1g 4[c(OH )/c ]- - θθ -θ?=? +2 O p 2 /O OH ?- 2 O p 2 /O OH ?-
浅谈应用电化学与生活中的化学 电化学是研究电和化学反应之间的相互作用。电化学技术成果与人类的生活和生产实际密切相关,如化学电池、腐蚀保护、表面精饰、金属精炼、电化学传感器等等，同时也应用于电解合成、环境治理、人造器官、生物电池、心脑电图、信息传递等方面。它的发展推动了世界科学的进步，促进了社会经济的发展，对解决人类社会面临的能源、交通、材料、环保、信息、生命等问题已经作出并正在作出巨大的贡献。 下面简单介绍几种应用电化学在生活中的应用： 一、金属腐蚀防护 金属腐蚀在生活中十分常见，全世界每年因腐蚀而造成的金属损失相当于全世界金属产量的1/4以上，我国因腐蚀造成的经济损失达200亿以上。因此金属腐蚀防护研究具有很高的现实意义。 由于绝大部分的金属腐蚀都是电化学腐蚀，因此，电化学方法在金属防护上有极大的应用。 常用的防腐蚀方法有调节PH、阴极保护、阳极保护、金属钝化、金属镀层。 金属的电化学腐蚀：若金属与非电解介质直接反应而腐蚀称为化学腐蚀。 1：金属与电解质溶液(潮湿空气，溶解有杂质或污染物的水，海水)接触。 2：金属/电解质溶液界面可发生阳极氧化溶解过程。 3：若存在相应的阴极还原反应，就构成了自发的原电池，持续放电而腐蚀。 金属之所以受到腐蚀，是由于在金属表面的区域之间存在着电极电势差，即存在着电化学不均匀而造成的，各种不均匀性加速腐蚀，称为局部腐蚀。 金属腐蚀的防护： 1：金属的化学钝化(强氧化剂作用，在表面形成一层致密的氧化物膜)。 2：选配设计合金，改善钝化性能。 3：阴极保护(牺牲阳极，与直流电源的负极相连使成为阴极)。 4：阳极保护(与直流电源的正极相连，使处于f -pH图的钝化区，阳极钝化)。 5：镀层(耐腐蚀金属，油漆，搪瓷，塑料，橡胶等)。 6：缓蚀剂 a：在介质中添加，无机盐类，氧化剂，有机物，减慢反应速度，加大极化。 b：生成胶体粒子，生成难溶性沉淀，发生钝化，有机分子吸附，从而覆盖电极表面，妨碍反应进行，阻止或减缓金属腐蚀。 二、化学电源 1：干电池 酸性锌锰干电池：负极为锌筒，正极为MnO2和活性炭混合物，电解质溶液为NH4Cl和ZnCl2水溶液，加淀粉糊凝固，电极反应为Zn氧化和MnO2还原。 碱性锌锰干电池：负极为汞齐化的锌粉，正极为MnO2粉和炭粉混合物装在一个钢壳内，电解质溶液为KOH水溶液。 2：蓄电池 锂电池：质量轻，Li/Li+标准电极电势最负，导电性和机械性能都很好。 以金属锂或锂合金作为负极，无机物或有机材料做正极如锂|二硫化钼，锂|钒氧化物，锂|二氧化锰，有机聚合物或导电高分子作正极。 3：燃料电池：是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。 a：燃料电池中的燃料和氧化剂都是由外部供给，理论上电池的电极不消耗。 b：只要连续供给燃料和氧化剂，电池就可以连续对外放电。 c：燃料电池所发生的电化学反应实质上就是燃料的燃烧反应。
电化学——新型化学电源（建议用时：120 min）1、【2019·全国卷Ⅰ】利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV+2/MV+ 在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是（ B ） A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能 B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应：H2+ 2MV+2=== 2H++ 2MV+ C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3 D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动 【第1题】【第2题】 2、【2018·全国卷Ⅱ】我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na–CO2二次电池。将 NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应为：3CO2+ 4Na2Na2CO3+ C。下列说法错误的是（ D ） A．放电时，ClO- 向负极移动 4 B．充电时释放CO2，放电时吸收CO2 C．放电时，正极反应为：3CO2+ 4-e=== 2CO-23+ C D．充电时，正极反应为：Na++-e=== Na 3、【2017·海南高考】一种电化学制备NH3的装置如图所示，图中陶瓷在高温时可以传输 H+。下列叙述错误的是（ A ） A．Pd电极b为阴极B．阴极的反应式为：N2+ 6H++ 6-e=== 2NH3 C．H+由阳极向阴极迁移D．陶瓷可以隔离N2和H2 【第3题】【第4题】
4、【2018·全国卷Ⅲ】一种可充电锂—空气电池如图所示。当电池放电时，O 2与Li +在多孔 碳材料电极处生成Li 2O 2－x （x ＝0或1）。下列说法正确的是（ D ） A ．放电时，多孔碳材料电极为负极 B ．放电时，外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极 C ．充电时，电解质溶液中Li +向多孔碳材料区迁移 D ．充电时，电池总反应为：Li 2O 2－x === 2Li + ??? ?1-x 2 O 2 5、环境监察局常用“定电位”NO x 传感器来监测化工厂尾气中的氮氧化物是否达到排放标 准，其工作原理如图所示。下列说法不正确的是（ D ） A ．“对电极”是负极 B ．“工作电极”上发生的电极反应为：NO 2 + 2H + + 2-e === NO + H 2O C ．传感器工作时，H +由“对电极”移向“工作电极” D ．“工作电极”的材料可能为活泼金属锌 【第5题】 【第6题】 6、尿素[CO(NH 2)2]与NO 在碱性条件下可形成燃料电池，如图所示，反应的方程式为： 2CO(NH 2)2 + 6NO + 4NaOH === 5N 2 + 2Na 2CO 3 + 6H 2O 。下列说法正确的是（ D ） A ．甲电极为电池的负极，发生还原反应 B ．电子流向：甲电极→负载→乙电极→溶液→甲电极 C ．一段时间后，乙电极周围溶液酸性增强 D ．甲电极的反应式为：CO(NH 2)2 - 4-e + 8OH - === CO - 23 + N 2↑+ 6H 2O 7、【2019·山东八校联考】熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池（600～700 ℃），具有效率 高、噪声低、无污染等优点。熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图所示。下列说法正 确的是（ B ） A ．电池工作时，熔融碳酸盐只起到导电的作用 B ．负极反应式为：H 2 - 2-e + CO - 23 === CO 2 + H 2O C ．电子流向：电极a →负载→电极b →熔融碳酸盐→电极a D ．电池工作时，外电路中通过0.2 mol 电子，消耗3.2 g O 2
In situ synchrotron di?raction of the electrochemical reduction pathway of TiO 2q R.Bhagat a,*,D.Dye b ,S.L.Raghunathan b ,R.J.Talling b ,D.Inman b ,B.K.Jackson b , K.K.Rao c ,R.J.Dashwood a a University of Warwick,Coventry CV47AL,UK b Imperial College,London SW72AZ,UK c Metalysis,Rotherham S635DB,UK Received 2November 2009;received in revised form 17May 2010;accepted 20May 2010 Available online 16June 2010 Abstract Despite over ten years of work into the low-cost electrowinning of Ti direct from the oxide,the reduction sequence of TiO 2pellets in molten CaCl 2has been the subject of debate,particularly as the reduction pathway has been inferred from ex situ studies.Here,for the ?rst time white beam synchrotron X-ray di?raction is used to characterize the phases that form in situ during reduction and with $100l m resolution.It is found that TiO 2becomes sub-stoichiometric very early in reduction,facilitating the ionic conduction of O ions,that CaTiO 3persists to nearly the end of the process and that,?nally,CaO forms just before completion of the process.The method is quite generally applicable to the in situ study of industrial chemical processes.Implications for the industrial scale-up of this method for the low-cost production of Ti are drawn. ó2010Acta Materialia Inc.Published by Elsevier Ltd.All rights reserved. Keywords:Electrochemistry;Titanium;Synchrotron radiation;XRD;Phase transformation kinetics 1.Introduction In the FFC Cambridge process,metal oxides are electro-chemically reduced to metal using a molten chloride ?ux [1].Currently the Kroll process is used to produce Ti from rutile [2];potentially,the FFC process may lead to a step change in the cost of extraction of this and other alloy systems. The process involves the progressive reduction and deox-idation of a porous TiO 2pellet cathode in a molten halide salt [1].At the cathode TiO 2is reduced to Ti.The oxide ions dissolve into CaCl 2and then migrate to a C anode,forming CO 2and CO.This reduction pathway has been studied using pellet reductions [3],metal-cavity electrode [4–6]and thin-?lm electrode experimentation [7,8].Using cyclic voltamme-try and X-ray di?raction (XRD)analysis of thin ?lms after each event,the electrochemical events C4,C3,C20 ,C2and C1,corresponding to reactions (1)–(6),respectively,have been identi?ed during reduction.Despite being observed in XRD,the formation of CaTiO 3was not observed on the vol-tammograms and was therefore believed to form via a chem-ical reaction [9]. 2TiO 2t2e à!Ti 3O 5tO 2àe1T2Ti 3O 5t2e à!3Ti 2O 3tO 2à e2TCaTiO 3t2e à!Ca 2ttTiO t2O 2àe3TTi 2O 3t2e à!2TiO tO 2àe4TTiO t2e à!2TiO tO 2àe5TTiO 2tCa 2ttO 2à!CaTiO 3 e6T 1359-6454/$36.00ó2010Acta Materialia Inc.Published by Elsevier Ltd.All rights reserved.doi:10.1016/j.actamat.2010.05.041 q R.J.D.and D.D.conceived and designed the study.B.K.J.,R.J.D.and D.D.designed the apparatus,which B.K.J.built and commissioned.R.B.,R.J.D.,D.D.,S.L.R.,R.J.T.and K.K.R.conducted the experiments.R.B.and S.L.R.analysed the data with support from R.J.T.,R.J.D.and D.D.The paper was written by R.B.with contributions and editing from R.J.D.,D.D.,D.I.,R.J.T.and S.L.R.* Corresponding author. E-mail address:r.bhagat@https://www.doczj.com/doc/119898046.html, (R.Bhagat). https://www.doczj.com/doc/119898046.html,/locate/actamat Acta Materialia 58(2010) 5057–5062
污水处理电化学处理技术Last revision on 21 December 2020
污水处理电化学处理技术高级氧化技术一般针对难降解有机废水，如医药、化工、染料工业废水以及含有难处理的有毒物质物质等。 第一节电化学处理技术 一、基本原理与特点 1. 原理 电化学氧化法主要用于有毒难生物降解有机废水的处理，电化学水处理技术的基本原理是使污染物在电极上发生直接电化学反应或间接电化学而得到转化，从而达到削减和去除污染物的目的。根据不同的氧化作用机理，可分为直接电解和间接电解。 1 ) 直接电解 直接电解是指污染物在电极上直接被氧化或还原而从废水中去除今直接电解可分为阳极过程和阴极过程。阳极过程就是污染物在阳极表面氧化而转化成毒性较小的物质或易生物降解的物质，甚至发生有机物无机化，从而达到削减、去除污染物的目的。阴极过程就是污染物在阴极表面还原而得以去除，阴极过程主要用于卤代经的还原脱卤和重金属的回收，如卤代有机物的卤素通过阴极还原发生脱卤反应，从而可以提高有机物的可生化性。 直接电解过程伴随着氧气析出，氧的生成使氧化降解有机物的电流效率降低，能秏升高，因此，阳极材料对电解的影响很大。 2 ) 间接电解 间接电解是指利用电化学产生的氧化还原物质作为反应剂或催化剂，使污染物转化成毒性小的物质。间接电解分为可逆过程和不可逆过程。可逆过程（媒介电化学氧化）是指氧化还原物在电解过程中可电化学再生和循环使用。不可逆过程是指利用不可逆电
化学反应产生的物质，如具有强氧化性的氯酸盐、次氯酸盐、H202和 O2等氧化有机物的过程，还可以利用电化学反应产生强氧化性的中间体，包括溶剂化电子、HO、 H02/02 等自由基。 2. 电化学水处理技术的特点 1) 电化学方法既可以单独使用，又可以与其他处理方法结合使用，如作为前处理方法，可以提高废水的生物降解性； 2) 一般电化学处理工艺只能针对特定的废水，处理规模小，且处理效率不高； 3)有的电化学水处理工艺需消耗电能，运行成本大。 二、电化学反应器与电极 电化学反应器按反应器的工作方式分类可分为：间歇式、置换流式和连续搅拌箱式电化学反应器。按反应器中工作电极的形状分类可分为二维电极反应器、三维电极反应器。二维电极呈平面或曲面状，电极的形状比较简单，如平板、圆柱电极。电极反应发生于电极表面上，其电极表面积有限，比表面积极小，但电势和电流在表面上分布比较均匀。三维电极的结构复杂，通常是多孔状。电极反应发生于电极内部，整个三维空间都有反应发生。特点是比表面积大，床层结构紧密，但电势和电流分布不均匀。下列出了常见电化学反应器的电极类型。 常见电化学反应器的电极类型 三、电化学处理技术在废水处理中的应用 （一）微电解 1. 原理 微电解技术是目前处理高浓度有机废水的一种理想工艺，又称内电解法，它是在不通电的情况下，利用填充在废水中的微电解材料自身产生的电位差对废水进行电解处
电化学与生活 （哈尔滨工业大学能源学院） 摘要：电化学作为化学学科中对社会影响极为广泛的一部分是一个极为重要的学科。本文主要简单介绍了电化学对人们日常生产生活方面的影响和电化学的相关原理，并对原电池和电解池等电化学典型案例进行结构分析和原理介绍。同时将电化学在生活中的具体问题进行了分析，并找出了电化学与人类社会发展之间密不可分的联系。 关键词：电化学，电解池，原电池，氧化还原反应，金属腐蚀，电子转移 一、引言 化学是一门以实验为主的学科，但同时也是用途十分广泛的一门学科，它说涵盖的内容涉及到了人类发展的各个方面，从社会到生活，从学习到工作，从学校到工厂，化学的影子无处不在。化学学科的具体分类分为无机化学，有机化学，物理化学，分析化学，高分子化学，核化学和生物化学等。而本文将要讨论的电化学就是隶属于物理化学科目下的具体学科。 电化学是研究电和化学反应相互关系的科学。电和化学反应相互作用可通过电池来完成，也可利用高压静电放电来实现（如氧通过无声放电管转变为臭氧），二者统称电化学，后者为电化学的一个分支，称放电化学。电化学是研究两类导体形成的带电界面现象及其上所发生的变化的科学。如今已形成了合成电化学、量子电化学、半导体电化学、有机导体电化学、光谱电化学、生物电化学等多个分支。电化学在化工、冶金、机械、电子、航空、航天、轻工、仪表、医学、材料、能源、金属腐蚀与防护、环境科学等科技领域获得了广泛的应用。当前世界上十分关注的研究课题, 如能源、材料、环境保护、生命科学等等都与电化学以各种各样的方式关联在一起。 二、电化学的相关原理 电化学基本原理就是我们在高中时再熟悉不过的氧化还原反应，通过两种物质或在经过中间物质的电子转移来实现电解或发电等相应的化学反应。电化学反应主要包括电解池反应和原电池反应。 1.原电池反应 原电池是主要是利用两个电极之间金属活动性的不同，产生电势差，从而使电子的流动，产生电流。多数原电池的反应是不可逆的，即是只能将化学能转换为电能，而不能像蓄电池那样将电能与化学能相互转化。其中在负极发生氧化反应，即失去电子的反应；正极发生还原反应，即得到相应电子的反应。 原电池的发明历史可追溯到18世纪末期，当时意大利生物学家伽伐尼正在进行著名的青蛙实验，当用金属手术刀接触蛙腿时，发现蛙腿会抽搐。大名鼎鼎的伏打认为这是金属与蛙腿组织液（电解质溶液）之间产生的电流刺激造成的。1800年，伏打据此设计出了现在 被称为伏打电堆的装置，锌为负极，银为正极，用盐水作电解质溶液。1836年，丹尼尔发 明了世界上第一个实用电池，并用于早期铁路信号灯。 原电池主要由三部分组成，分别是两个半电池，盐桥和导线。其中两个半电池上的一般是两种金属活动性相差较大的金属，而铅蓄电池和燃料电池等原电池的两极则是由化合物或燃料气体组成的，它们也是通过相应的化学反应来确保电子的定向转移的。构成原电池时，将这两种金属极板浸泡在相应的电解质溶液中，在电解质外两种金属极板通过导线相连接，以此来保证电子在原电池中的通常运行。 以我们在学校中最常见到的铜锌原电池为例，它就是以锌电极作为负极，铜电极作为阳极。将两块电极分别放在装有硫酸锌溶液和硫酸铜溶液两个烧杯中，由于锌的活动性远强于铜，所以锌极就是该原电池的负极，铜极就是原电池的正极，在在两个烧杯之间用装有氯化钾的盐桥来进行电子转移时的平衡。
苏州大学研究生考试答卷封面 考试科目：仪器分析考试得分：________________院别：材料与化学化工学部专业：分析化学 学生姓名：饶海英学号： 033 授课教师： 考试日期： 2012 年 1 月 10 日
电化学传感器的应用研究 摘要：随着电分析技术的发展，电化学传感技术越来越成为生命科学、临床诊断和药学研究的重要手段之一。本文主要介绍了电化学发光免疫传感器，电化学DNA 传感器、电化学氧传感器、纳米材料电化学传感器的基本概念、原理，以及这些传感器在各领域的应用。 关键词:电化学传感器免疫传感器传感器 电化学传感技术的核心是传感器。传感器能感受(或响应)规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路所组成，是将一种信息能转换成可测量信号(一般指电学信号)的器件。传感器可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器三大类。本文以化学传感器尤其是电化学传感器进行研究。 电致化学发光(Electrogenerated chemiluminescence)，也称电化学发光(Electrochemiluminescence)，简称ECL，是通过电极对含有化学发光物质的体系施加一定的电压或通过一定的电流，电极氧化还原产物之间或电极氧化还原产物与体系其它共存物质之间发生化学反应并生成某种不稳定的中间态物质，该物质分解而产生的化学发光现象。电致化学发光技术是电化学与化学发光相结合的检测技术，该技术既集成了发光与电化学分析技术的优点，又具有二者结合产生的可控性、选择性、重现性好、灵敏度高、检测限低及动力学响应范围宽等新优势[ 1~3 ]。 电化学传感器可分为以下几个类型。①吸附型：通过吸附方式将修饰物质结合在电极表面得到的修饰电极为吸附型化学修饰电极。可以制备单分子层和多分子层。根据吸附作用力的不同，又可分为平衡吸附型、静电吸附型、LB膜型、SA 膜型、涂层型。②共价键合型：在电极的表面通过键合反应把预定功能团接在电极表面而得到的化学修饰电极为共价型化学修饰电极。常用基体电极有碳电极、玻碳电极、金属和金属氧化物电极。③聚合物型：利用聚合反应在电极表面形成修饰膜的电极。制备方式有氧化还原沉积、有机硅烷缩合、等离子聚合、电化学聚合等。④其他类型：无机物修饰电极，如普鲁士蓝修饰电极、粘土修饰电极、
实验七 氧化还原反应与电化学 一．实验目的 1. 了解测定电极电势的原理及方法 2. 掌握用酸度计测定原电池电动势的方法 3. 了解原电池、电解池的装置及作用原理 二．实验原理 1．电极电势的测定 E (Zn 2+/Zn)电极电位的测定 (-) Zn ?ZnSO 4(0.10mol·dm -3)??KCl(饱和)?Hg 2Cl 2,Hg (Pt) (+) 测测甘汞E E E E E E E E -=-=-=-=+++-+V 2415.0)/Zn Zn () /Zn Zn (V 2415.0)/Zn Zn ()(222 ()()() ++++ =22O 2Zn lg 216059.0Zn Zn Zn Zn c E E 理论 2.浓度对电极电势的影响 对于任意一个电极反应 氧化型物质 + z e - 还原型物质 )()(lg 05916.0)O/R ()O/R (还原态氧化态c c z E E += c (氧化态)增大或c (还原态)减小，E (O/R)变大；c (氧化态) 减小或c (还原态)增大，E (O/R) 减小。对比下面三个原电池 （1）(-) Zn ?ZnSO 4(0.10mol·dm -3) ║ CuSO 4(0.10mol·dm -3)?Cu (+) （2）(-) Zn ?ZnSO 4(0.10mol·dm -3) ║ [Cu(NH 3)4]2+, NH 3·H 2O ?Cu (+) （3）(-) Zn ?[Zn(NH 3)4]2+, NH 3·H 2O ║ CuSO 4(0.10mol·dm -3)?Cu (+) 电池（2）中正极的氧化态生成配离子使c (氧化态)变小，则正极的电极电势变小；（3）中负极的氧化态生成配离子使c (氧化态)变小，则负极的电极电势变小，故电动势 E 3 >E 1 >E 2。 3．酸度对电极电势的影响 含氧酸盐的氧化性随介质溶液的酸度的增加而增强，如 O H 7Cr 2 e 6H 14O Cr 23272+=+++-+- ) Cr ()H ()O Cr (lg 605916.0)/Cr O Cr ()/Cr O Cr (321427232723272++-+-+-?+=c c c E E
电化学在生活中的应用 电化学是研究电和化学相互关系的科学。它主要通过原电池和电解池来时现，原电池为化学能转化为电能的反应，电解池为电能转化为化学能转化为电能的反应。 电化学与我们的生活息息相关，小的方面看，我们的日常生命活动离不开电化学，航空航天各个领域都离不开电化学。下面将详细进行介绍： 原电池是由电极和电解质溶液构成的一个整体，它主要包含以下两种类型。 （类型一） （类型二） 它们两个在构成上的主要差别为是否有盐桥，在反应速度上类型一更加快速，在相同的时间内能够提供更多的电能。构成原电池需要以下条件：1.存在电子的转移2.构成闭合回路3.存在合适的电解质溶液。在原电池中存在电子的定向移动而形成的电流，点在在外电路中是由负极流向正极的，因此电流是从正极流向负极的，而在内电路中恰恰相反是由正极流向负极的。当我们在外电路上接入用电器时它就能对外供电了，但是每种原电池的电动势都是由其自身所决定的，其电动势为E=EΘ- RTlnJa/ZF。一般情况下原电池的电动势都比较小（例如，普通电池的电动势为1.5V）
不能直接用于生活生产，只有某些小型的耗电设备能利用，并且需要串联使用，因此开发较大电动势的原电池是我们需要努力的方向。 原电池的组成用图示表达，过于麻烦。为书写简便，原电池的装置常用方便而科学的符号来表示。其写法习惯上遵循如下几点规定： 1. 一般把负极写在电池符号表示式的左边，正极写在电池符号表示式的右边。 2. 以化学式表示电池中各物质的组成，溶液要标上活度或浓度（mol/L），若为气体物质应注明其分压(Pa)，还应标明当时的温度。如不写出，则温度为298.15K，气体分压为101.325kPa，溶液浓度为1mol/L。 3. 以符号“∣”表示不同物相之间的接界，用“‖”表示盐桥。同一相中的不同物质之间用“，”隔开。 4. 非金属或气体不导电，因此非金属元素在不同氧化值时构成的氧化还原电对作半电池时，需外加惰性导体（如原电池铂或石墨等）做电极导体。其中，惰性导体不参与电极反应，只起导电（输送或接送电子）的作用，故称为“惰性”电极。 按上述规定，Cu－Zn原电池可用如下电池符号表示： （-）Zn(s)∣Zn2+ (C)‖Cu2+ (C)∣ Cu(s) （+）① 从反应的机理来看构成原电池需要有电子的转移，由此来看需要为氧化还原反应，但是实际上并不是所有的原电池都是由氧化还原反应构成的，还存在一种浓差电池。 浓差电池是由于电池中存在浓度差而产生的，并且浓差电池也可分为两种:1.电解质浓度不同而形成的浓差电池2.电极不同而形成的浓差电池。标准的浓差电池的电动势为E=0. 另外浓差电池也可分为单液浓差电池和双液浓差电池两大类，其区别方法为：组成电池的两个电极液种类或活度相同，而两个电极的活度或逸度不同（如汞齐电极、气体电极）而组成的电池，称为单液浓差电池；电极相同，电极反应相同，只是电极液的浓度（或活度）不同，称为双液浓差电池。 另外腐蚀可分为两种：析氢腐蚀和吸氧腐蚀。其中析氢腐蚀时会释放出氢气，而吸氧腐蚀会吸收如部分氧气。从危害来讲析氢腐蚀的危害更加严重，它是原电池的一种反应，反应速度较快，对设备的危害最大，尤其是在酸雨频发的地区，另外对于炼油厂以及化工厂的危害也尤其巨大。 根据原电池的原理人们设计了很多很实用的设备，例如手机电池在放电时就是一个原电池，并且它可以进行充电，只不过在其充电时是一个电解池。另外原电池的
8种电化学水处理方法 电化学水处理- 世间万物，都是有一利就有一弊。社会的进步和人们生活水平的提高，也不可避免地对环境产生污染。废水就是其中之一。随着石化、印染、造纸、农药、医药卫生、冶金、食品等行业的迅速发展，世界各国的废水排放总量急剧增加，且由于废水中含有较多的高浓度、高毒性、高盐度、高色度的成分，使其难以降解和处理，往往会造成非常严重的水环境污染。 为了处理每天大量排出的工业废水，人们也是蛮拼的。物、化、生齐用，力、声、光、电、磁结合。今天笔者为您总结用电’ 来处理废水的电化学水处理技术。 电化学水处理技术，是指在电极或外加电场的作用下，在特定的电化学反应器内，通过一定的化学反应、电化学过程或物理过程，对废水中的污染物进行降解的过程。电化学系统设备相对简单，占地面积小，操作维护费用较低，能有效避免二次污染，而且反应可控程度高，便于实现工业自动化，被称为环境友好’ 技术。 电化学水处理的发展历程 1799 年 Valta制成Cu-Zn原电池，这是世界上第一个将化学能转化为电能的化学电源 1833 年 建立电流和化学反应关系的法拉第定律。 19世纪70年代 Helmholtz提出双电层概念。任何两个不同的物相接触都会在两相间产生电势，这是因电荷分离引起的。两相各有过剩的电荷，电量相等，正负号相反，相互吸引，形成双电层。 1887 年 Arrhenius提出电离学说。 1889 年 Nernst提出电极电位与电极反应组分浓度关系的能斯特方程。 1903 年 Morse 和Pierce 把两根电极分别置于透析袋内部和外部溶液中，发现带电杂质能迅速地从凝胶中除去。 1905年 提出Tafel 公式，揭示电流密度和氢过电位之间的关系。 1906年
第六章 氧化─还原反应和电化学 Chapt e r 6 Oxidation-Reduction Reactions & Electrochemistry 本章研究另一类化学反应──氧化─ 还原反应（有电子转移的反应） §6-1 氧化─ 还原反应 Oxidation —Reduction Reactions 一、氧化数（Oxidation Number ） 1．氧化数是一个经验值，是一个人为的概念。 2．引入此概念，有以下几方面的应用： (1) 判断是否发生氧化──氧化数升高、氧化反应、还原剂 reducing agent ( reductant )；氧化数降低、还原反应、氧化剂 oxidizing agent ( oxidant )。 (2) 计算氧化──还原当量 (3) 配平氧化──还原反应方程式 (4) 分类化合物，如Fe ( Ⅲ )、Fe (Ⅱ)；Cu (Ⅰ)、Cu (Ⅱ)。 引入氧化数，可以在不用详细研究化合物的结构和反应机理的情况下，实现上述四点。 3．怎样确定氧化数 (1) 在离子化合物中，元素的氧化数等于离子的正、负电荷数。 (2) 在共价化合物中，元素的氧化数为两个原子之间共用电子对的偏移数。 a ．在非极性键共价分子（单质）中，元素的氧化数为零，如P 4、S 8、Cl 2中P 、S 、Cl 的氧化数都为零； b ．在极性键共价分子中，元素的氧化数等于原子间共用电子对的偏移数，例如： 11H :F +-，1 1 11(-2) H :O :H +--+，11 0011(1) H :O :O:H +--+-，11 +11 (0) H ::F O +--。 (3) 具体规定： a ．单质的氧化数为零，例如P 4、S 8中P 、S 的氧化数都为零，因为P －P 和 S －S 键中共用电子对没有偏移； b ．除了在NaH 、CaH 2、NaBH 4、LiAlH 4中氢的氧化数为-1以外，氢的氧 化数为+1； c ．所有氟化物中，氟的氧化数为-1； d ．氧的氧化数一般为-2，但有许多例外，例如2O (1/2)--、22O (1)- -、3O (1/3)--、 21/2O ()++、2OF 2)(+等； 目前元素的最高氧化数达到+8，在OsO 4、RuO 4中，Os 和Ru 的氧化数均 为+8，其它元素的最高氧化数至多达到其主、副族数。例如：Na 2Cr 2O 12和CrO 5 中，Cr 的氧化数为+6，因为这些化合物中有22O - （O 的氧化数为-1）存在；