电化学与生活
（哈尔滨工业大学能源学院）
摘要：电化学作为化学学科中对社会影响极为广泛的一部分是一个极为重要的学科。本文主要简单介绍了电化学对人们日常生产生活方面的影响和电化学的相关原理，并对原电池和电解池等电化学典型案例进行结构分析和原理介绍。同时将电化学在生活中的具体问题进行了分析，并找出了电化学与人类社会发展之间密不可分的联系。
关键词：电化学，电解池，原电池，氧化还原反应，金属腐蚀，电子转移
一、引言
化学是一门以实验为主的学科，但同时也是用途十分广泛的一门学科，它说涵盖的内容涉及到了人类发展的各个方面，从社会到生活，从学习到工作，从学校到工厂，化学的影子无处不在。化学学科的具体分类分为无机化学，有机化学，物理化学，分析化学，高分子化学，核化学和生物化学等。而本文将要讨论的电化学就是隶属于物理化学科目下的具体学科。
电化学是研究电和化学反应相互关系的科学。电和化学反应相互作用可通过电池来完成，也可利用高压静电放电来实现（如氧通过无声放电管转变为臭氧），二者统称电化学，后者为电化学的一个分支，称放电化学。电化学是研究两类导体形成的带电界面现象及其上所发生的变化的科学。如今已形成了合成电化学、量子电化学、半导体电化学、有机导体电化学、光谱电化学、生物电化学等多个分支。电化学在化工、冶金、机械、电子、航空、航天、轻工、仪表、医学、材料、能源、金属腐蚀与防护、环境科学等科技领域获得了广泛的应用。当前世界上十分关注的研究课题, 如能源、材料、环境保护、生命科学等等都与电化学以各种各样的方式关联在一起。
二、电化学的相关原理
电化学基本原理就是我们在高中时再熟悉不过的氧化还原反应，通过两种物质或在经过中间物质的电子转移来实现电解或发电等相应的化学反应。电化学反应主要包括电解池反应和原电池反应。
1.原电池反应
原电池是主要是利用两个电极之间金属活动性的不同，产生电势差，从而使电子的流动，产生电流。多数原电池的反应是不可逆的，即是只能将化学能转换为电能，而不能像蓄电池那样将电能与化学能相互转化。其中在负极发生氧化反应，即失去电子的反应；正极发生还原反应，即得到相应电子的反应。
原电池的发明历史可追溯到18世纪末期，当时意大利生物学家伽伐尼正在进行著名的青蛙实验，当用金属手术刀接触蛙腿时，发现蛙腿会抽搐。大名鼎鼎的伏打认为这是金属与蛙腿组织液（电解质溶液）之间产生的电流刺激造成的。1800年，伏打据此设计出了现在被称为伏打电堆的装置，锌为负极，银为正极，用盐水作电解质溶液。1836年，丹尼尔发明了世界上第一个实用电池，并用于早期铁路信号灯。
原电池主要由三部分组成，分别是两个半电池，盐桥和导线。其中两个半电池上的一般是两种金属活动性相差较大的金属，而铅蓄电池和燃料电池等原电池的两极则是由化合物或燃料气体组成的，它们也是通过相应的化学反应来确保电子的定向转移的。构成原电池时，将这两种金属极板浸泡在相应的电解质溶液中，在电解质外两种金属极板通过导线相连接，以此来保证电子在原电池中的通常运行。
以我们在学校中最常见到的铜锌原电池为例，它就是以锌电极作为负极，铜电极作为阳极。将两块电极分别放在装有硫酸锌溶液和硫酸铜溶液两个烧杯中，由于锌的活动性远强于铜，所以锌极就是该原电池的负极，铜极就是原电池的正极，在在两个烧杯之间用装有氯化钾的盐桥来进行电子转移时的平衡。 2.电解池反应
使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极上引起氧化还原反应的过程叫做电解。把电能转变为化学能的装置叫做电解池或电解槽。电解池的阴极就是与电源负极相连的电极；阳极就是与电源正极相连的电极。
电解池反应与原电池反应的原理正好相反，一个是由化学能转变为电能，另一个是将电能转变为化学能。具体的应用有电解饱和食盐水来制取氯气、氢气以及氢氧化钠，电镀应用，金属防护以及冶炼金属等用途。其中电解饱和食盐水又被称为氯碱工业，在工业生产上有着很广泛的用途，可以用来进行较为纯净的氢气和氯气的制取。电镀则是被广泛应用与汽车、船舶以及大部分精密仪器的制造行业。金属防护则是通过在要防护的表面嵌入活性较强的金属块来参与氧化还原反应来代替保护金属进行腐蚀。而电解池反应在冶炼金属上的应用则是体现在电解熔融活泼金属氧化物，如三氧化二铝等氧化物。
3.电化学腐蚀
金属表面由于外界介质的化学或电化学作用而造成的变质及损坏的现象或过程称为腐蚀。介质中被还原物质的粒子在与金属表面碰撞时取得金属原子的价电子而被还原，与失去价电子的被氧化的金属“就地”形成腐蚀产物覆盖在金属表面上，这样一种腐蚀过程称为化学腐蚀。由于金属是电子的良导体，如果介质是离子导体的话，金属被氧化与介质中被还原的物质获得电子这两个过程可以同时在金属表面的不同部位进行。金属被氧化成为正价离子（包括配合离子）进入介质或成为难溶化合物（一般是金属的氧化物或含水氧化物或金属盐）留在金属表面。这个过程是一个电极反应过程，叫做阳极反应过程。被氧化的金属所失去的电子通过作为电子良导体的金属材料本身流向金属表面的另一部位，在那里由介质中被还原的物质所接受，使它的价态降低，这是阴极反应过程。在金属腐蚀学中，习惯地把介质中接受金属材料中的电子而被还原的物质叫做去极化剂。经这种途径进行的腐蚀过程，称为电化学腐蚀。在腐蚀作用中最为严重的是电化学腐蚀，它只有在介质中是离子导体时才能发生。即便是纯水，也具有离子导体的性质。在水溶液中的腐蚀，最常见的去极化剂是溶于水中的氧(O2)。
二、电化学在生活中的应用
首先，说一下电化学在我们日常生活中的作用。或许，平时人们没有认识到电化学在生活中的作用，但其实它们的影子无处不在。就以电镀为例，电镀可以增加物品的光泽，达到美观的效果兼防止锈蚀，如餐具、汽机车的零件等。或只用来防止锈蚀，如马口铁、镀锌的缆线绳索等。也可镀硬铬以提高表面硬度，增加耐磨耗性。
电镀技术中，铜电沉积是近年内工业界最重要的技术之一。目前，铜沉积层用在许多领域，如印刷电路板材料电解铜箔、超大规模集成电路里铜金属化制程、印刷电路板穿孔电镀与铜金属凸块制程等。铜金属薄膜有许多沉积技术，如电镀法、物理气相沉积、雷射退火回流法以及化学气相沉积法等。其中，电镀法（电沉积铜）具有低成本、高产率、高质量的铜膜、良好的孔洞填沟能力等，优点最多。无电电镀是沉积薄膜金属层的另一种电化学方法。就是在无需外加电压的情形下，把溶液中的金属离子藉由自动催化的化学反应方式，沉积在固体表面上。这种反应程序与电镀极为类似，不同的是反应发生时，电子传递并不经由外部导线，而是藉由溶液中的物质在固体表面上发生反应的同时，直接进行传递。
无电电镀的基本原理，乃是利用与金属离子与共同存在于镀液中的还原剂，在固体表面上，藉由化学反应将金属离子还原成固态金属，而逐层沉积于固体表面上。由于此氧化还原反应仅在具有活性物质的固态表面上发生，故无电电镀的施行，并不会因为镀件的表面形状、大小或是否导电等因素而受到限制。因此，若想要在非导体如硅晶圆或塑料等的表面上沉积金属层，利用无电电镀是一种兼具便利与效率的方法。
由此可见，电化学与我们的生活息息相关，为人类社会的发展提供了很多优质便利的方法，具有极其重要的意义。而我们当代的大学生更应该学好电化学，并努力将其应用在以后的工作和生活中。
参考文献
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