電化學

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電化學是研究電能和化學能之間的相互轉化及轉化過程中有關規律的科學。電能和化學能 相互轉化可通過電池來完成,也可利用高壓靜電放電來實現,二者統稱電化學,後者為電化學的一個分支,稱放電化學。因而電化學往往專指「電池的科學」。

電池由兩個電極和電極之間的電解質構成,因而電化學的研究內容應包括兩個方面:一是電解質的研究,即電解質學,其中包括電解質的導電性質、離子的傳輸性質、參與反應離子的平衡性質等,其中電解質溶液的物理化學研究常稱作電解質溶液理論;另一方面是電極的研究,即電極學,其中包括電極的平衡性質和通電後的極化性質,也就是電極和電解質界面上的電化學行為。電解質學和電極學的研究都會涉及到化學熱力學、化學動力學和物質結構。

原電池和電解池的比較

  

發展

在1663年,德國物理學家 Otto von Guericke 創造了第一個發電機,通過在機器中的摩擦而產生靜電。這個發電機將一個巨大的硫球放入玻璃球中,並固定在一棵軸上製成的。通過搖動曲軸來轉動球體,當一個襯墊與轉動的球發生摩擦的時候就會產生靜電火花。 這個球體可以拆卸並可以用作電學試驗的來源。

在17世紀中葉,法國化學家 Charles François de Cisternay du Fay 發現了兩種不同的靜電,即同種電荷相互排斥而不同種電荷相互吸引。 Du Fay 發布說電由兩種不同液體組成:"vitreous" (拉丁語」玻璃「),或者正電;以及"resinous", 或者負電。這便是電的雙液體理論,這個理論被17世紀晚期Benjamin Franklin 的單液體理論所否定。

1781年,查爾斯.奧古斯丁 庫侖 (Charles-Augustin de Coulomb) 在試圖研究由英國科學家Joseph Priestley 提出的電荷相斥法則的過程中發展了靜電相吸的法則。

1791年伽伐尼發表了金屬能使蛙腿肌肉抽縮的「動物電」現象,一般認為這是電化學的起源。1799年伏打在伽伐尼工作的基礎上發明了用不同的金屬片夾濕紙組成的「電堆」,即現今所謂「伏打堆」。這是化學電源的雛型。在直流電機發明以前,各種化學電源是唯一能提供恆穩電流的電源。1834年法拉第電解定律的發現為電化學奠定了定量基礎。

19世紀下半葉,經過赫爾姆霍茲和吉布斯的工作,賦於電池的「起電力」(今稱「電動勢」)以明確的熱力學含義;1889年能斯特用熱力學導出了參與電極反應的物質濃度與電極電勢的關係,即著名的能斯脫公式;1923年德拜和休克爾提出了人們普遍接受的強電解質稀溶液靜電理論,大大促進了電化學在理論探討和實驗方法方面的發展。

20世紀40年代以後,電化學暫態技術的應用和發展、電化學方法與光學和表面技術的聯用,使人們可以研究快速和複雜的電極反應,可提供電極界面上分子的信息。電化學一直是物理化學中比較活躍的分支學科,它的發展與固體物理、催化、生命科學等學科的發展相互促進、相互滲透。

在物理化學的眾多分支中,電化學是唯一以大工業為基礎的學科。它的應用主要有:電解工業,其中的氯鹼工業是僅次於合成氨和硫酸的無機物基礎工業;鋁、鈉等輕金屬的冶煉,銅、鋅等的精鍊也都用的是電解法;機械工業使用電鍍、電拋光、電泳塗漆等來完成部件的表面精整;環境保護可用電滲析的方法除去氰離子、鉻離子等污染物;化學電源;金屬的防腐蝕問題,大部分金屬腐蝕是電化學腐蝕問題;許多生命現象如肌肉運動、神經的信息傳遞都涉及到電化學機理。應用電化學原理髮展起來的各種電化學分析法已成為實驗室和工業監控的不可缺少的手段。

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