电化学

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引言

电化学是化学的一个分支，它源于英国化学家约翰·丹尼尔和物理学家迈克尔·法拉第的贡献。约翰·丹尼尔发明了原电池，迈克尔·法拉第提出了电化学定律。能斯特提出了电动势的概念，并提出了一个现在被称为能斯特方程的方程。电化学研究电子的运动，以及电能和化学能之间的关系。电化学系统中自发的化学反应会产生大量的电能，而对这种电能的研究是电化学的主要部分。

科技领域的进步促进了电化学这个化学分支的发现。1800年，科学家亚历山德罗·伏打发明伏打电堆，导致了电化学的发现。它第一次涉及到电。随后本杰明·富兰克林进一步研究了这个课题，并由此发现了静电。由于伏打电堆产生电能，它引领了一项新的进步，即化学能本身可以产生电能。后来，汉弗里·戴维利用一些金属发明了伏打电池。然后在1806年，化学亲和力的电学理论也被提出。

氧化和还原

氧化和还原过程一起被称为氧化还原反应。这种类型的反应涉及两个物种之间的电子转移。在这些反应中，两种化学物质的氧化数可能会增加或减少。它们甚至在我们自然界中的许多系统（如呼吸过程、光合作用、腐蚀、燃烧等）的正常运作中都存在。

化学化合物的氧化数用于表示失去或获得的电子数。对于单一元素，氧化态始终为零。如果一种化合物失去电子，则称该化合物发生了氧化。因此，电子的损失用氧化这个术语来表示。而如果一种化合物获得额外的电子，则称其发生了还原。因此，如果一种化合物失去电子，它就被还原。如果发生氧化，则氧化态增加；如果发生还原，则氧化态降低或减少。发生氧化反应的化合物称为还原剂，而发生还原反应的化合物称为氧化剂。

下面的反应说明了氧化过程。

$$\mathrm{Na\:\rightarrow\:Na^{+}\:+\:e^{-}}$$

下面的反应表示还原过程。

$$\mathrm{Cl\:+\:e^{-}\:\rightarrow\:Cl^{-}}$$

电化学电池

能够通过系统中发生的一些化学反应产生电能，或者通过电流产生化学能的装置是电化学电池。通过化学反应产生电能的装置是伏打电池或原电池。而通过电解反应产生化学能的装置是电解池。通常包含两个半电池。并且由电极和电解质系统组成。

盐桥也用于连接这两个系统。电极是良好的导体金属部件，充当非金属材料之间电流流动的通道。而电解质是包含位于两种电极之间的离子的物质。盐桥用于连接发生氧化和还原反应的两个半电池。锂离子电池和原电池都是电化学电池的例子。

电化学电池的类型

根据电化学电池的类型特征，它们通常分为两种类型，分别是：

• 电解池

• 原电池或伏打电池

这两种电化学电池的特征如下表所示。

电解池	原电池或伏打电池
它涉及将电能转化为化学能。	将化学能转化为电能。
它通常包含一个隔室。	它通常包含两个隔室和一个盐桥。
正在发生非自发的氧化还原化学反应。	正在发生自发的氧化还原化学反应。
通过提供外部电能来产生电子。	不需要外部能量来产生电子。

如何表示电化学电池？

根据国际化学协会，电化学电池有一般性的表示方法，包括：

• 首先表示氧化半电池反应，其中金属首先表示，而不是离子。例如，$\mathrm{Zn/Zn^{2+}(0.1M)}$。

• 氧化后用 || 表示盐桥。

• 然后用金属离子，然后是还原的金属来表示还原半电池反应。例如，$\mathrm{Cu^{2+}(0.1M)/Cu}$。

• 因此，电化学电池可以表示为：

$$\mathrm{zn/Zn^{2+}(0.1M)\:\:\rVert\:Cu^{2+}(0.1M)/Cu}$$

丹尼尔电池或伏打电池的工作原理

将化学能转化为电能的电化学电池是丹尼尔电池或伏打电池。在这种电池中发生的氧化还原化学反应导致形成电流。该电池中有两种类型的电池电极，即阴极和阳极。发生氧化或电子损失的电极是阳极，而发生电子获得或还原的电极是阴极。因此，在这两个电极之间会产生电位差。然后会产生电流。然后使用电压表检测此电流。通过这种方式，原电池或伏打电池产生电能。

电化学电池和反应的吉布斯能量

电势和总电荷的乘积是所做的电功。电荷的可逆通过导致最大功的形成。原电池所做的可逆功等于吉布斯能量的减少值。因此，反应的吉布斯能量由以下方程式给出：

$$\mathrm{\Delta\:rG\:=\:-nFE_{cell}}$$

例如，在以下反应中：

$$\mathrm{Zn(s)\:+\:Cu^{2+}(aq)\:\rightarrow\:Zn^{2+}(aq)\:+\:Cu(s)}$$

$$\mathrm{\Delta\:rG\:=\:-2FE_{cell}}$$

因为电荷是二。

结论

电化学是化学的一个重要分支，它处理通过氧化还原反应的电子流动。氧化还原过程是一种化学反应，其中两种化学物质会发生氧化和还原过程。电子损失称为氧化，电子获得称为还原。电化学电池是一种通过化学反应产生电能或通过电能产生化学反应的装置。因此，有两种类型的原电池：丹尼尔电池和电解池。电解池是将电能转化为化学反应的电池，而原电池是将化学反应转化为电能的电池。两者根据其用途具有不同的应用。

常见问题

1. 原电池的一些实际应用是什么？

原电池的一些重要应用包括其在电池中的使用、电镀过程、燃料电池等。

2. 电解池的用途是什么？

电解池的主要用途是通过供电产生氧气和氢气等气体。

3. 电化学的优点是什么？

它有很多优点，其中电化学应用的技术或装置非常简单、快速且廉价。因此，它存在于许多领域。

4. 什么是电化学传感器？

电化学传感器可以通过氧化还原过程，借助电极系统检测产生的电流来检测目标气体的存在。

5. 现代电化学之父是谁？

化学家艾伦·巴德因其对电致化学发光的贡献而被称为现代电化学之父。