電化學

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引言

電化學是化學的一個分支，它源於英國化學家約翰·丹尼爾和物理學家邁克爾·法拉第的貢獻。約翰·丹尼爾發明了原電池，邁克爾·法拉第提出了電化學定律。能斯特提出了電動勢的概念，並提出了一個現在被稱為能斯特方程的方程。電化學研究電子的運動，以及電能和化學能之間的關係。電化學系統中自發的化學反應會產生大量的電能，而對這種電能的研究是電化學的主要部分。

科技領域的進步促進了電化學這個化學分支的發現。1800年，科學家亞歷山德羅·伏打發明伏打電堆，導致了電化學的發現。它第一次涉及到電。隨後本傑明·富蘭克林進一步研究了這個課題，並由此發現了靜電。由於伏打電堆產生電能，它引領了一項新的進步，即化學能本身可以產生電能。後來，漢弗裡·戴維利用一些金屬發明了伏打電池。然後在1806年，化學親和力的電學理論也被提出。

氧化和還原

氧化和還原過程一起被稱為氧化還原反應。這種型別的反應涉及兩個物種之間的電子轉移。在這些反應中，兩種化學物質的氧化數可能會增加或減少。它們甚至在我們自然界中的許多系統（如呼吸過程、光合作用、腐蝕、燃燒等）的正常運作中都存在。

化學化合物的氧化數用於表示失去或獲得的電子數。對於單一元素，氧化態始終為零。如果一種化合物失去電子，則稱該化合物發生了氧化。因此，電子的損失用氧化這個術語來表示。而如果一種化合物獲得額外的電子，則稱其發生了還原。因此，如果一種化合物失去電子，它就被還原。如果發生氧化，則氧化態增加；如果發生還原，則氧化態降低或減少。發生氧化反應的化合物稱為還原劑，而發生還原反應的化合物稱為氧化劑。

下面的反應說明了氧化過程。

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

下面的反應表示還原過程。

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

電化學電池

能夠透過系統中發生的一些化學反應產生電能，或者透過電流產生化學能的裝置是電化學電池。透過化學反應產生電能的裝置是伏打電池或原電池。而透過電解反應產生化學能的裝置是電解池。通常包含兩個半電池。並且由電極和電解質系統組成。

鹽橋也用於連線這兩個系統。電極是良好的導體金屬部件，充當非金屬材料之間電流流動的通道。而電解質是包含位於兩種電極之間的離子的物質。鹽橋用於連線發生氧化和還原反應的兩個半電池。鋰離子電池和原電池都是電化學電池的例子。

電化學電池的型別

根據電化學電池的型別特徵，它們通常分為兩種型別，分別是：

• 電解池

• 原電池或伏打電池

這兩種電化學電池的特徵如下表所示。

電解池	原電池或伏打電池
它涉及將電能轉化為化學能。	將化學能轉化為電能。
它通常包含一個隔室。	它通常包含兩個隔室和一個鹽橋。
正在發生非自發的氧化還原化學反應。	正在發生自發的氧化還原化學反應。
透過提供外部電能來產生電子。	不需要外部能量來產生電子。

如何表示電化學電池？

根據國際化學協會，電化學電池有一般性的表示方法，包括：

• 首先表示氧化半電池反應，其中金屬首先表示，而不是離子。例如，$\mathrm{Zn/Zn^{2+}(0.1M)}$。

• 氧化後用 || 表示鹽橋。

• 然後用金屬離子，然後是還原的金屬來表示還原半電池反應。例如，$\mathrm{Cu^{2+}(0.1M)/Cu}$。

• 因此，電化學電池可以表示為：

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

丹尼爾電池或伏打電池的工作原理

將化學能轉化為電能的電化學電池是丹尼爾電池或伏打電池。在這種電池中發生的氧化還原化學反應導致形成電流。該電池中有兩種型別的電池電極，即陰極和陽極。發生氧化或電子損失的電極是陽極，而發生電子獲得或還原的電極是陰極。因此，在這兩個電極之間會產生電位差。然後會產生電流。然後使用電壓表檢測此電流。透過這種方式，原電池或伏打電池產生電能。

電化學電池和反應的吉布斯能量

電勢和總電荷的乘積是所做的電功。電荷的可逆透過導致最大功的形成。原電池所做的可逆功等於吉布斯能量的減少值。因此，反應的吉布斯能量由以下方程式給出：

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

例如，在以下反應中：

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

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

因為電荷是二。

結論

電化學是化學的一個重要分支，它處理透過氧化還原反應的電子流動。氧化還原過程是一種化學反應，其中兩種化學物質會發生氧化和還原過程。電子損失稱為氧化，電子獲得稱為還原。電化學電池是一種透過化學反應產生電能或透過電能產生化學反應的裝置。因此，有兩種型別的原電池：丹尼爾電池和電解池。電解池是將電能轉化為化學反應的電池，而原電池是將化學反應轉化為電能的電池。兩者根據其用途具有不同的應用。

常見問題

1. 原電池的一些實際應用是什麼？

原電池的一些重要應用包括其在電池中的使用、電鍍過程、燃料電池等。

2. 電解池的用途是什麼？

電解池的主要用途是透過供電產生氧氣和氫氣等氣體。

3. 電化學的優點是什麼？

它有很多優點，其中電化學應用的技術或裝置非常簡單、快速且廉價。因此，它存在於許多領域。

4. 什麼是電化學感測器？

電化學感測器可以透過氧化還原過程，藉助電極系統檢測產生的電流來檢測目標氣體的存在。

5. 現代電化學之父是誰？

化學家艾倫·巴德因其對電致化學發光的貢獻而被稱為現代電化學之父。