《电化学思维导图》

一、基本概念

• 电化学定义: 研究化学能与电能相互转化的科学。
• 电极: 导体与电解质溶液的界面。
  • 阳极 (Anode): 发生氧化反应的电极 (电子离开电极)。
  • 阴极 (Cathode): 发生还原反应的电极 (电子进入电极)。
• 电解质: 在溶液中能导电的物质 (离子导体)。
  • 强电解质: 在水中完全电离的电解质。
  • 弱电解质: 在水中部分电离的电解质。
• 电池 (Cell): 将化学能转化为电能或将电能转化为化学能的装置。
  • 原电池 (Galvanic Cell/Voltaic Cell): 自发进行的氧化还原反应产生电能。
  • 电解池 (Electrolytic Cell): 外加电压驱动非自发的氧化还原反应。
• 电极电势 (Electrode Potential): 金属离子和金属之间的电势差。
  • 标准电极电势 (Standard Electrode Potential): 标准条件下（298K, 1atm, 1M离子浓度）的电极电势，以标准氢电极为参考 (0 V)。
• 电动势 (Electromotive Force, EMF): 电池正极与负极之间的电势差，是电池的驱动力。
• 极化 (Polarization): 电极电势偏离平衡电势的现象。
  • 浓差极化: 由于电极表面反应物浓度下降或产物浓度升高导致的极化。
  • 电化学极化 (活化极化): 由于电极反应速率慢导致的极化。
• 超电势 (Overpotential): 实际电极电势与平衡电极电势的差值，克服极化所需的额外电压。
• 法拉第定律 (Faraday's Laws of Electrolysis): 电解过程中，析出或溶解的物质的量与通过电解池的电量成正比。
  • 第一定律：析出或溶解物质的质量与通过电解池的电量成正比。
  • 第二定律：相同电量电解不同物质时，析出或溶解的物质的量与它们的摩尔质量成正比。

二、原电池

• 构成条件:
  • 两种活动性不同的金属（或金属与非金属）作电极。
  • 电解质溶液。
  • 形成闭合回路或直接接触。
• 电极反应:
  • 负极: 氧化反应，失电子，电极质量可能减小。
  • 正极: 还原反应，得电子，电极质量可能增加（如镀铜）或不改变（如氢气或氧气）。
• 电池符号: 例如： Zn | ZnSO4(aq) || CuSO4(aq) | Cu
  • 单竖线 | 代表相界面。
  • 双竖线 || 代表盐桥。
• 电池电动势的计算: Ecell = E正 - E负 (利用标准电极电势)
• 能斯特方程 (Nernst Equation): 描述电极电势与溶液中离子浓度的关系。
  • E = E° - (RT/nF)lnQ
    • E: 电极电势
    • E°: 标准电极电势
    • R: 气体常数
    • T: 绝对温度
    • n: 转移电子数
    • F: 法拉第常数
    • Q: 反应商
• 常见原电池:
  • 锌铜原电池: 经典例子。
  • 干电池: 锌锰电池，不可充电。
  • 碱性电池: 性能优于干电池，放电电流更大。
  • 燃料电池: 利用燃料(如氢气、甲烷)燃烧的能量，效率高，污染小。

三、电解池

• 构成条件:
  • 外加直流电源。
  • 两个电极 (惰性或活性电极)。
  • 电解质溶液或熔融电解质。
• 电极反应:
  • 阳极: 氧化反应，与电源正极相连，电极本身可能被氧化（活性电极）或溶液中的阴离子放电。
  • 阴极: 还原反应，与电源负极相连，溶液中的阳离子放电。
• 电解产物的判断:
  • 阳极: 活性电极优先溶解；惰性电极则根据离子放电顺序，如Cl- > OH- > I- > NO3- > SO42- > F-。
  • 阴极: 阳离子放电顺序，如Ag+ > Hg2+ > Cu2+ > H+ > Pb2+ > Sn2+ > Fe2+ > Zn2+ > Al3+ > Mg2+ > Na+ > Ca2+ > K+。注意溶液酸碱性影响H+浓度，从而影响放电顺序。
• 电解的应用:
  • 电解水: 制备氢气和氧气。
  • 电解氯化钠溶液: 制备氯气、氢气和氢氧化钠 (氯碱工业)。
  • 电镀: 在金属表面覆盖一层金属薄膜，保护或美化。
  • 电解精炼: 提纯金属，如精炼铜。
  • 电解着色: 让金属表面生成氧化膜而着色。

四、电化学腐蚀与防护

• 金属腐蚀: 金属或合金与周围介质发生化学或电化学反应而遭受破坏的现象。
• 化学腐蚀: 金属直接与氧化剂接触发生氧化还原反应，没有电流产生。
• 电化学腐蚀: 金属通过原电池原理发生氧化还原反应，有电流产生。
  • 析氢腐蚀: 酸性条件下，金属失去电子生成离子，同时产生氢气。
  • 吸氧腐蚀: 中性或弱酸性条件下，金属失去电子生成离子，氧气在金属表面得电子生成氢氧根离子。
• 影响腐蚀速率的因素:
  • 金属的本性。
  • 介质的成分和性质。
  • 温度。
  • 湿度。
  • 压力。
• 金属腐蚀的防护:
  • 改变金属的内部结构: 加入合金元素。
  • 覆盖保护层:
    • 涂油漆、凡士林: 隔绝金属与腐蚀介质的接触。
    • 镀金属: 如镀锌、镀铬。
    • 钝化: 用氧化剂使金属表面生成致密的氧化膜。
  • 电化学保护:
    • 牺牲阳极保护: 连接比被保护金属更活泼的金属，使其优先腐蚀。
    • 外加电流保护: 施加一个外加电流，使被保护金属成为阴极。

五、电化学分析方法

• 电位法: 测量电极电势来分析溶液中离子浓度。
  • 离子选择性电极 (ISE): 对特定离子有选择性响应的电极。
  • pH计: 利用玻璃电极测量溶液的pH值。
• 库仑法: 通过测量电解过程中消耗的电量来分析物质的含量。
• 伏安法: 研究电流与电位之间的关系，用于定性和定量分析。
  • 循环伏安法 (CV): 通过改变电极电位，观察氧化还原峰，研究电化学反应机理。
• 电化学阻抗谱 (EIS): 利用交流电信号分析电极过程的阻抗特性，研究电极反应动力学和界面性质。

六、电化学储能

• 电池:
  • 一次电池 (不可充电电池): 如干电池、锌锰电池。
  • 二次电池 (可充电电池): 如铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池。
• 锂离子电池:
  • 正极: 锂化合物，如LiCoO2、LiFePO4。
  • 负极: 碳材料，如石墨。
  • 电解质: 锂盐溶液。
  • 工作原理: 锂离子在正负极之间嵌入和脱嵌。
• 燃料电池: 直接将化学能转化为电能，效率高，污染小。
  • 氢燃料电池: 以氢气为燃料，氧气为氧化剂，生成水。
• 超级电容器 (Supercapacitor/Ultracapacitor): 介于传统电容器和电池之间的一种储能装置，具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等优点。

此思维导图涵盖了电化学的基本概念、原电池、电解池、电化学腐蚀与防护、电化学分析方法以及电化学储能等方面的内容，形成了一个较为完整的知识体系。可以根据具体需求，对各个分支进行更深入的拓展。