大学化学5-氧化还原反应与电化学.ppt

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1、氧化还原反应是一类重要反应。金属腐蚀是由于氧化还原反应，生命现象中也有很多氧化还原反应。如植物的光合作用就是一种氧化还原反应：6CO2（g）+6H2O（l）C6H12O6（s）+6O2叶绿素动物伴随着呼吸所发生的氧化还原反应为动物提高了能量。动物呼吸时常伴随着生化分子NADH（一种酶）的氧化，具体反应如下：NADH（aq）NAD+（aq）+H+（aq）+2e-ΔrGθm=61.76kJ·mol-1O2（g）+2H+（aq）+2e-H2O（l）ΔrGθm=－158.26kJ·mol-1两式相加得NADH（aq）+H+（aq）+O2（g）NAD+（aq）+H2O（l）ΔrG

2、θm=－220.02kJ·mol-1可见该反应应是可以自发进行的,常温下也是放热反应。该反应所释放出的能量可使其它非自发的细胞反应得以顺利进行，于是动物的新陈代谢得以维持。如果氧化还原反应的反应物间不直接接触，而是通过导体来实现电子的转移，这样就使电子产生了定向移动，就产生了电流，这样的氧化还原反应称为电化学反应。电化学就是研究电化学反应的学科。电化学是化学的一个重要分支。第五章氧化还原反应与电化学5.1引言讨论三个问题：电化学研究对象；研究电化学的意义；电化学研究的主要内容。5.1.1电化学的研究对象电化学是研究化学能与电能之间相互转化及在这种转化过程中出现的有关现象

3、的学科。电化学涉及两类氧化还原反应，一类是ΔG<0，可以自发进行的反应，这就是原电池反应；另一类是ΔG>0的反应，不能自发进行，必须环境对它做功，通过电解来实现，这就是电解池反应。对于这两种反应既研究反应的热力学、也研究反应的动力学（我们主要研究热力学），同时还研究电化学反应的应用，这包括化学电源、化学电沉积、电化学加工、电化学腐蚀与防护等内容。5.1.2研究的意义1.电化学与能源化学能源是很重要的一种能源，它具有可反复充电，反复使用，便于携带，污染少，利用效率高等优点。例如反应：CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O的标准吉布斯函数变为-718kJ·mol

4、-1。这意味着该反应最多能做718kJ·mol-1的有用功。如白白烧掉，则一点有用功也没做；如在热电厂中是通过将化学能先转化成热能，再经热机转化成机械能，再由机械能转化成电能，利用率不高，用柴油机利用率只有40%，而在蒸汽火车上应用利用率才不到10%；如在燃料电池中，可获700kJ·mol-1的有用功，效率高达80％左右。由于燃料电池可以连续产生电流，因此具有广泛地应用前景。现在各国普遍开展研究的电动汽车用能源，就是准备采用燃料电池。我校电化学专业与新宇电池厂合作，正在进行这方面的研究。燃料电池在航天上的应用已有20年的历史，用他来发电也有近10年的经历，在汽车和潜艇上

5、应用是从1998年开始的。实际上大到卫星，小到手表，以及广泛应用的手机，便携式电脑，以及重要的心脏起博器等，都要用到化学电源。2.电化学与材料(1)材料的提纯和合成如用类似电解的装置，可以提纯金属。例如，制作电线用的铜芯必须具有很高的纯度以降低电阻率，使用电解的方法即可制得纯度很高的精铜。具体做法是，将纯度较低的粗铜作阳极，以纯度很高的精铜为阴极，以CuSO4溶液为电解液，接上合适的外电压，即可实现铜的精制。利用电化学方法还可以进行电化学聚合。所谓电化学聚合是指应用电化学方法在阴极或阳极上进行的聚合反应，有希望合成出用普通化学聚合方法不能得到的高聚物。电化学方法，特别是

6、电缩聚方法，目前通常被用于在阴极或阳极表面制备有各种功效的聚合物膜，主要应用于化学修饰电极、生物传感器或电化学传感器、离子交换膜、化学电源、导电高聚物等领域。聚乙炔就是导电高聚物。(2)改善材料的性能一般金属表面常有镀层，即可增加美观，又可提高耐蚀、耐磨等性能，大大提高了材料的使用寿命。现在的镀层可以是二元、三元合金，即复合镀层，从而提高了表面性能。表面氧化同样是表面改性的重要方法。(3)金属的腐蚀与防护由腐蚀带来的损害非常巨大。如油管漏油、电厂锅炉爆炸、海轮沉没、飞机失事以及吊桥突然坠入河中等。腐蚀的防护往往采用电化学方法，如牺牲阳极的方法等。（4）材料的电化学加工电

7、铸（是指镀液中的金属离子在电场的作用下，在阴极的模具表面还原析出，并直接成型的一种电化学加工方法）、电解抛光、电解加工成型等都属材料电化学加工的范畴。对于机械加工困难或费用太高的部件，用电铸的方法比较适宜。电解抛光具有抛光面不变质变形，且因生成耐蚀的钝化膜而使光泽持久，这种方法适用于形状复杂的细微零件。而电解加工成型用于加工特硬、特脆、特韧的金属或合金和复杂形面的工件，加工表面的光洁度较好。3．电化学与环境污染及治理电化学反应也往往带来污染。如非绿色电池、电镀废水等带来的污染等。同样在治理环境时也要用到电化学方法。如为了消除电池的汞污染，