第二章--冶金电化学基础

冶金物理化学简明教程精品课程课件全册课件汇总冶金物理化学是一门研究金属材料的结构、性能、加工及应用的学科，它涉及材料科学、物理化学、冶金工程等多个领域。

本教程旨在为物理化学及相关专业的学生和从事冶金工程的工程师提供必要的知识和技能，使其能够在金属材料的制备、加工和应用等方面发挥重要作用。

本教程共分为以下几个章节：第一章金属结构与性质此章将介绍晶体结构、晶格缺陷、晶体生长和金属结构的各种性质，包括晶体结构的分类、晶格缺陷的种类、形成原因及其对金属性质的影响等。

第二章金属的热力学和热力学过程此章将介绍金属及其合金的相变规律，各种相变的热力学分析方法，相图的绘制和应用，金属加工过程中的相变和相变控制等。

第三章金属的电化学行为和腐蚀此章将介绍电化学基础知识、技术和应用，金属腐蚀的分类、机理及其防腐保护措施等。

第四章金属的物理性质和材料化学此章将介绍金属的磁性、光学和其他物理性质，以及材料化学中的分析方法和应用等。

第五章金属加工和热处理此章将介绍金属加工的各种方法，包括变形、淬火、回火等热处理方法，以及在加工过程中控制材料组织和性质的方法。

第六章金属的膜和表面处理此章将介绍金属表面处理的各种方法，包括化学处理、电化学处理、物理处理等，以及膜的制备和性能控制等。

第七章金属的特殊性质和应用此章将介绍金属的特殊性质和应用，包括超导、形状记忆合金、微电子等高科技领域的应用等。

以上为本教程的主要内容概要，通过本教程的学习，将能够掌握金属材料结构、性质和加工等方面的基础知识，从而在金属材料制备、加工和应用等方面发挥重要作用。

本教程具有循序渐进、理论和实践相结合的特点，适合各类物理化学及相关专业学生和冶金工程师使用。

有色金属冶金学前言轻金属：铝、镁、铍、钛、钾、钠、锂、钙、锶、钡等十余种金属重金属：铜、镍、钴、锌、锡、锑、汞等二十余种金属稀有金属：钨、钼、锆、铪、铌、钽、稀土金属等数十种金属贵金属：金、银、铂族金属等几种第一篇轻金属冶金学第一章氧化铝生产1.摩尔比（苛性比）：溶液中Na2O浓度为135g/l，Al2O3为130g/l，则该溶液的摩尔比为MR=(135/130)*(102/62)=1.708。

式中的102和62分别为Na2O和Al2O3的分子量2.拜耳法生产氧化铝的主要工序包括：铝土矿原料准备、熔出、赤泥分离洗涤、分解、氢氧化铝分离洗涤、煅烧、蒸发和苛化3.拜耳法：是直接利用含有大量游离苛性钠的循环母液处理铝土矿，溶出其中氧化铝得到铝酸钠溶液，并用加氢氧化铝种子（晶种）分解的方法，使铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝结晶。

种分母液经蒸发后返回用于溶出铝土矿。

4.铝土矿的溶出及影响因素：铝土矿的溶出通常是在高于溶液常压沸点的温度下用苛性碱溶液处理的化学反应过程，所以也叫“高压（高温）溶出”。

影响因素：铝土矿的矿物成分及其结构；溶出温度；循环母液碱浓度；配料摩尔比；搅拌强度5.单流法、双流法：在溶出流程上可分将循环母液和矿石一起磨制成原矿浆进行预热溶出的“单流法”及仅将一部分循环母液送去磨制矿浆，大部分母液单独预热到溶出温度，再于溶出器内和浓稠矿浆混合进行溶出的“双流法”6.赤泥分离洗涤过程步骤：赤泥料浆稀释；沉降分离；赤泥反向洗涤；溢流控制过滤7.铝酸钠溶液加种子分解：实际上应包括铝酸根离子的分解和氢氧化铝结晶8.含铝矿物的分子式（刚玉、三水铝石、一水铝石、明矾石、霞石）：高岭石Al2O3·2SiO2·2H2O、刚玉Al2O3、三水铝石Al(OH)3、一水铝石AlOOH 、明矾石(K, Na)2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3、霞石(K, Na)2O·Al2O3·2SiO2。

冶金电化学习题绪论1：什么是电化学和冶金电化学？2：冶金电化学的主要任务和研究方法是什么？3：电化学研究的对象和内容各是什么？4：工业电解生产的目的？第一章：电化学热力学1：为什么不能测出电极的绝对电位？我们通常所用的电极电位是如何测试的？答：以锌电极为例，为了测量锌与溶液的内电位，就需把锌电极接入一个测量回路中。

这样将会产生一个新的电极体系。

在电位差计上得到的测量值E将包括三项内电位差，即：E=(φZn-φCu)+(φS-φZn)+(φCu-φZn)=ΔZnφS+ΔSφCu+ΔCuφZn这样本欲测量电极电位ΔZnφS的绝对值，但测量出来的结果却是三个相间电位的代数和。

其中每项都因同样原因无法直接测量出来。

我们通常是以标准氢电极，待测电极为阳极，由于没标准氢电极的电极电位为0，同时采用盐桥消除液接电势等，由测出的电动势得出待测电极的电极电位。

（即对消法）2：说明Fe-H2O体系电位-pH图中各区域可能发生的电极反应。

答：（看图说话）3：通过查询标准电位序解释下图中的钢管为何会得到防作为阴极，腐蚀保护？（比较平衡电势高低）4：说明平衡电位与稳定电位的区别。

答：平衡电位又称为可逆电极电位，它是在电极处于可逆状态相对于一定的电极反应而测出的电极电位；稳定的不可逆电极电位叫做稳定电位，即稳定电位是相对于不可逆电极的，建立稳定电位的条件是在两相界面上电荷转移必须平衡，而物质的转移并不平衡。

5：如何判断可逆电极和不可逆电极。

答：可逆电极就是在平衡条件下进行的，电荷交换与物质交换都处于平衡的电极；不可逆电极是实际的不可逆的电极过程中，构成电极体系的电极不能满足可逆电极条件的电极。

如何判断给定电极是可逆还是不可逆：首先可根据电极的组成做出初步判断，分析物质、电荷的平衡性；为了进行准确的判断，还应该进一步实验证实，即若实验测定的电极电位与活度的关系曲线符合Nernst方程式计算出的理论曲线，即为可逆电极；若测量值与理论计算值偏差很大，超出实验误差范围，就是不可逆电极。

冶金原理教学大纲一、课程在培养方案中的地位、目的和任务本课程系冶金专业的主业课程。

本课程是在无机化学、物理化学和冶金概论的基础上进行的。

通过学习，使学生掌握冶金过程的基本原理和使用原理分析问题解决问题的方法，为今后的专业学习和工作实践奠定基础。

二、课程的基本要求1、了解重要基本概念和基本原理的定义和含义；2、能运用所学的理论对基本冶金过程进行定性、定量分析；3、能够初步解决具体的研究问题；4、不要背诵公式定理，而要在理解的基础上学会灵活运用。

各章的基本要求：1.冶金熔体a.冶金熔体的基本概念和特点；三元相图相平衡（初晶面，划分三角形，平衡线、平衡点的性质，冷却过程分析，等温截面图）。

要求能够熟练的进行冷却过程分析，会根据相图选择合理的熔体成分；b.了解各种冶金熔体的结构理论，特别是对于冶金炉渣，要求会应用所学的理论解释相关现象；c.了解冶金熔体的物理化学性质及其变化规律，能够使用公式进行简单的计算，以及正确的查图都区有关参数；d.掌握熔渣的酸碱性、氧化性的表示方法，会用来初步分析问题；了解渣与金属间的反应；e.会读图获取熔体的热力学参数。

2.热力学基础a.了解热力学的性质和应用，严格与动力学相区分；b.掌握吉布斯自由能图的构筑和应用方法、图中线的斜率的变化规律，会计算化合物的分解压。

c.掌握绘制热力学平衡的方法，能够熟练的绘制Me-O系、Me-O-S系的平衡图、电势-pH图，会举一反三建立其他体系的平衡图如Me-Cl-O系的平衡图等；并能用来初步解决具体问题，如解释冶金现象、选择工艺条件等；d.掌握碳的燃烧反应特别是布多尔反应的平衡关系，掌握氢的燃烧反应及C-H-O系的平衡，会进行平衡计算并建立变价金属氧化物用CO和H2、C还原的平衡图；明确熔渣中金属氧化物的还原的对比关系；理解真空还原、金属热还原的原理；e.掌握不同标准状态的换算关系，并会运用活度进行精炼的平衡计算，了解熔析精炼、区域熔炼的原理。

电化学基础原理和应用电化学是研究化学变化与电能转换关系的学科，它以电解现象和电池作用为基础，在化工、冶金、电子、纺织、石油等行业中具有广泛的应用。

本文将介绍电化学的基本原理和一些应用案例。

1. 电化学基本原理1.1 电化学反应电化学反应是指在电场作用下，引起化学物质的电子转移和氧化还原反应。

电解池是电化学反应的实验装置，通常由阳极和阴极，电解质和电源四个部分组成。

在电解池中，阴极为电子的汇聚地，阳极为电子的供应地，阴极反应为还原反应，阳极反应为氧化反应。

电解质是指在溶液中加入的导电物质，它可以形成离子，为电流通路。

电源为电解池提供电能。

1.2 电解现象电解现象是指在电场作用下，离子在导体表面还原或氧化的现象。

在电解中，带电粒子会在电场作用下发生电迁移，导致电解质中原子或离子发生氧化还原反应，从而发生电解现象。

电解现象可以用作电镀、金属电解精制等技术，也可以用于环境污染物的净化、废水处理等领域。

1.3 电池作用电池作用是指在非电解条件下，通过电化学反应将化学能转化为电能的过程。

电池通常由两个半电池组成，每个半电池内都有一个电极和一个电解质。

电池的工作过程就是半电池内的化学反应受电场作用，向电极上输送电子，因而发生氧化还原反应，从而将化学能转化为电能。

2. 电化学应用案例2.1 电解铜粉电解铜粉是将铜离子还原为铜金属的一种电化学应用技术。

通过电解池中的电极和电解质，将铜离子还原为铜金属，从而得到高纯度的铜粉。

电解铜粉是一种重要的电化学原料，广泛用于制造电线、电缆、电子元器件、化妆品、印刷油墨等领域。

2.2 燃料电池燃料电池是一种将化学能转化为电能的电池，它通常使用氢气和氧气作为燃料，通过电极和电解质的反应来产生电能。

燃料电池可以广泛应用于汽车、火箭、家用电器等领域。

与传统的燃烧引擎相比，燃料电池的优点是环保、高效、安全、灵活等。

2.3 电化学检测电化学检测是指通过电化学方法来检测物质的成分和浓度。

它可以用于环境监测、食品安全检测、医疗诊断等领域。

高中电化学基础知识点归纳电化学基础知识点总结原电池：1、概念：化学能转化为电能的装置叫做原电池。

2、组成条件：①两个活泼性不同的电极②电解质溶液③电极用导线相连并插入电解液构成闭合回路3、电子流向：外电路：负极——导线——正极内电路：盐桥中阴离子移向负极的电解质溶液，盐桥中阳离子移向正极的电解质溶液。

4、电极反应：以锌铜原电池为例：负极：氧化反应：Zn-2e=Zn2+(较活泼金属)正极：还原反应：2H++2e=H2↑(较不活泼金属)总反应式：Zn+2H+=Zn2++H2↑5、正、负极的判断：(1)从电极材料：一般较活泼金属为负极;或金属为负极，非金属为正极。

(2)从电子的流动方向负极流入正极(3)从电流方向正极流入负极(4)根据电解质溶液内离子的移动方向阳离子流向正极，阴离子流向负极。

(5)根据实验现象①溶解的一极为负极②增重或有气泡一极为正极1、电池的分类：化学电池、太阳能电池、原子能电池2、化学电池：借助于化学能直接转变为电能的装置3、化学电池的分类：一次电池、二次电池、燃料电池4、常见一次电池：碱性锌锰电池、锌银电池、锂电池等5、二次电池：放电后可以再充电使活性物质获得再生，可以多次重复使用，又叫充电电池或蓄电池。

6、二次电池的电极反应：铅蓄电池7、目前已开发出新型蓄电池：银锌电池、镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池、聚合物锂离子电池8、燃料电池：是使燃料与氧化剂反应直接产生电流的一种原电池。

9、电极反应：一般燃料电池发生的电化学反应的最终产物与燃烧产物相同，可根据燃烧反应写出总的电池反应，但不注明反应的条件。

负极发生氧化反应，正极发生还原反应，不过要注意一般电解质溶液要参与电极反应。

以氢氧燃料电池为例，铂为正、负极，介质分为酸性、碱性和中性。

当电解质溶液呈酸性时：负极：2H2-4e-=4H+正极：O2+4 e-4H+ =2H2O当电解质溶液呈碱性时：负极：2H2+4OH--4e-=4H2O正极：O2+2H2O+4 e-=4OH-另一种燃料电池是用金属铂片插入KOH溶液作电极，又在两极上分别通甲烷(燃料)和氧气(氧化剂)。

电化学的基础知识与应用电化学是研究电化学反应及其在化学、生物、环境等领域中应用的科学。

电化学反应是指在电场作用下的化学反应。

电化学除了是一种有趣的研究对象，还有着丰富的应用，比如电解制氢、锂离子电池等。

一、电化学的基础概念在电化学中，有两个重要的概念：电极和电解质。

1.电极电极是一个能够导电的固体界面，在电解质中通常是金属或碳材料。

电极分为阳极和阴极，其中电流从阳极流向阴极，阳极与阴极之间有一个电势差产生。

在电解质溶液中，金属电极对应着各自的氧化反应和还原反应，反应产物往往因各种因素而不同。

2.电解质电解质是指能够在水或其他溶液中离解成离子的化合物。

当电解质与电极接触时，电极表面就会出现一层电生化膜，其中正负离子进出电生化膜的速度与电动势和水溶液中的离子活度有关。

二、电化学反应方程式在电解质中，金属电极一般包括离子化反应和电极化反应。

1.离子化反应在电解质中，离子化反应是指电解质分解为离子，产生电解液。

离子化反应中产生的离子与电极的电荷运动，在电解质中建立局部电势，进而导致电化学反应的进行。

2.电极化反应电极化反应是指离子在电极表面吸附和电化学变化的过程。

在电解液中，离子吸附到金属电极表面上，成为带电荷状态的密集层。

三、电化学发生的偶联反应在电解液中，电极上化学反应的发生是与电极上阴阳极的极性和电解质的反应有关。

偶联反应包含了氧化还原反应、酸碱反应和化合物反应。

1.氧化还原反应在氧化还原反应中，产生了电子的转移，即电池电势，反应过程中会伴随着电流的产生。

在电解质溶液中，还原电极和氧化电极分别对应相应的还原反应和氧化反应，反应产物也是不同的。

2.酸碱反应在酸碱反应中，电极的反应是在离子中发生的，其反应过程中存在电离和中和过程。

在电解质溶液中，酸反应对应的是氢（H+）的还原反应，而碱反应则对应氢氧离子（OH-）的氧化反应。

3.化合物反应在化合物反应中，金属原子或离子与其他元素或化合物发生反应，其在电解质中的电化学反应是由离子在电极表面的吸附、离子结晶、腐蚀和保护等反应组成。

冶金电化学原理
冶金电化学原理是研究金属在电解质溶液中电化学反应规律的学科，它结合了冶金学和电化学的理论与技术。

电解质溶液中的金属在电流作用下发生氧化还原反应，通过控制电流密度、电解质浓度和温度等因素，可以实现金属的电沉积、防腐蚀和表面改性等工艺。

冶金电化学原理涉及到几个重要概念和理论，包括电荷转移反应、电解过程以及过电势等。

电荷转移反应是指电流通过金属与电解质界面上的电荷转移产生的化学反应，它决定了金属电极上的氧化还原速率。

电解过程是指在电解质溶液中，正电离子在阳极上发生氧化反应，而负电离子在阴极上发生还原反应的过程。

过电势是指金属在电化学反应中所需要的电势超过理论电势的差额，它与电流密度成正比，是衡量金属电极上的电化学活性和腐蚀性能的重要指标。

冶金电化学原理在冶金工艺中有着广泛的应用。

在电解制备金属时，通过控制电流密度和电解质浓度，可以实现金属的纯度控制和形貌调控。

同时，利用电化学反应可以实现金属表面的防腐蚀处理，如电镀、阳极氧化等。

此外，在材料科学领域，冶金电化学原理也为金属材料的腐蚀研究提供了重要的理论基础。

总之，冶金电化学原理通过研究金属在电解质溶液中的电化学反应规律，揭示了金属的电化学行为和腐蚀机制。

在冶金工艺和材料科学中，冶金电化学原理的应用不仅可以实现金属的制
备和改性，也可以提高材料的耐腐蚀性能和使用寿命，具有重要的意义。

电化学基础知识点原电池与电解池比较（ 1）原电池与电解池的差别原电池电解池实质化学能转变为电能电能转变为化学能装置无外加电源有外加电源判断电极负极：复原性较强的极或电子流出的阳极：与直流电源正极相连的极判断极正极：复原性较弱的极或电子流入的极阴极：与直流电源负极相连的极电极（1）负极自己或复原剂失掉电子发生（1）阳极发生氧化反响即阳极金属或上的氧化反响溶液中阴离子失掉电子的反响反响（2）正极：溶液中某些阳离子或氧化（2）阴极自己不反响，溶液中的阳离剂获得电子子获得电子发生复原反响电子流向负极→外电路→正极电源负极→ 由导线→阴极→由溶液→ 阳极→电源正极电流正极→外电路→负极方向应用铅蓄电池电镀、精华、冶金（ 1）同一原电池的正负极的电极反响得失电子数相等。

（2）同一电解池的阳极、阴极电极反响中得失电子数相等。

（ 3）串连电路中的各个电极反响得失电子数相等。

上述三种状况下，在写电极反响式时得失电子数相等；在计算电解产物的量时，应按得失电子数相等计算。

（2）可逆原电池的充电过程：可逆原电池的充电过程就是电解。

（3）电极名称：不论是原电池仍是电解池，只需发生氧化反响的电极就是阳极，只需发生复原反响的就是阴极。

①原电池。

A.依据构成原电池两极的资料来判断电极。

两极资料为开朗性不一样的金属时，则开朗性相对较强的一极为负极，另一极为正极。

由一种金属和另一种非金属（除氢外）作电极时，金属为负极，非金属为正极。

B.依据原电池内两极上发生的反响种类或现象来判断电极。

原电池的负极一般为金属，而且负极老是发生氧化反响：，故负极表现为逐渐溶解，质量减小。

由此可判断，凡在原电池工作过程中发生氧化反响或质量减少的一极为负极；凡发生复原反响或有物质析出的一极为正极。

注意：原电池的电极有两套称呼：负极又可称为阳极，正极又可称为阴极（不要把负极称为阴极；正极称为阳极）。

此中正负极一套称呼是对外电路而言，在物理中常用，阴阳极一套称呼是对内电路而言。