电化学发展史

电化学的发展史姓名：何利班级：203学号：200913020309学院：材料科学与工程电化学的发展史电化学是研究电与化学反应相互关系的科学，它主要涉及通过化学反应来产生电能以及通过电流导致化学变化方面的研究。电化学是一门古老而又充满活力的学科。一般公认电化学起源于179L.Galvani(伽发尼)发现金属能使蛙腿肌肉抽缩的“动物电”现象。到两个多世纪后的今天，电话学已发展成为内容非常广泛的学科领域，如化学电源、电化学分析、电化学合成、光电化学、生物电化学、电催化、点冶金、电解、电镀、腐蚀与保护等都属于电化学的范畴、尤其是近两年可充电锂离子电池的普及和生产使用、燃料电池在发电及汽车工业领域的应用研究开发，以及生物电化学的迅速发展，都为电化学这以古老的学科注入了新的活力。无论是基础研究还是技术应用，电化学从理论到方法都不断地突破与发展，越来越多地与其他自然学科或技术科学相互交叉、相互渗透。在能源、交通、材料、环保、信息、生命等众多领域发挥着越来越重要的作用。电化学是研究电和化学反应相互关系的科学。电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。由于放电化学有了专门的名称，因而，电化学往往专门指“电池的科学”。在我们物理化学中的电化学主要是用热力学的方法研究化学能与电能之间的相互转换的规律。其中主要包括两个方面的内容：一是利用化学反应产生电能——将能够自发进行的化学反应放在原电池装置中使化学能转化为电能；另一方面是利用电能驱动化学反应-将不能自发进行的反应放在电解池装置中输入电流使反应得以进行。发展16-17世纪：公元16世纪标志着对于电认知的开始。在16世纪50年代，英国科学家威廉·吉尔伯特花了17年时间进行磁学方面的试验，也或多或少地进行了一些电学方面的研究。1663年，德国物理学家奥托·冯·格里克发明了第一台静电起电机。这台机器由球形玻璃罩中的巨大硫磺球和转动硫磺球用的曲轴组成的。当摇动曲轴来转动球体的时候，衬垫与硫磺球发生摩擦产生静电。这个球体可以拆卸并可以用作电学试验的来源。18世纪：电化学的诞生在18世纪中叶，法国化学家夏尔·杜菲发现了两种不同的静电，他将两者分别命名为“玻璃电”和“松香电”，同种互排斥而不同种相互吸引。杜菲因此认为电由两种不同液体组成：正电“vitreous”（“玻璃”），以及负电“resinous”（“树脂”），这便是电的双液体理论，这个理论在18世纪晚期被本傑明·富蘭克林的单液体理论所否定。1781年，法国物理学家夏尔·奥古斯丁·库仑在试图研究由英国科学家约瑟夫·普利斯特里提出的电荷相斥法则的过程中发展了静电相吸的法则。1771年，意大利生理学家、解剖学家路易吉·伽伐尼发现蛙腿肌肉接触金属刀片时候会发生痉挛。他于1791年发表了题为“电流在肌肉运动中所起的作用”的论文，提出在生物形态下存在的“神经电流物质”，在化学反应与电流之间架起了一座桥梁。这篇论文的发表标志着电化学和电生理学的诞生。在论文中，伽伐尼认为动物体内中存在着一种与“自然”形式（如闪电）或“人工”形式（如摩擦起电）都不同的“动物电”，“动物电”通过金属探针来激活神经和有限的肌肉组织。伽伐尼的观点得到了多数同事的认同，但是帕维亚大学的物理学家亞歷山卓·伏打并不赞成“生物电流”的这个想法，并提出蛙腿肌肉在伽伐尼实验中仅起到了连接两种不同金属（托盘和刀片）的作用意大利物理学家亞歷山卓·伏打向拿破仑展示他的电池。促使了最初的电化学的形成与发展。19世纪：电化学发展成为化学的分支之一，主要是研究两类导体（电子导体，如金属或半导体，以及离子导体，如电解质溶液）形成的接界面上所发生的带电及电子转移变化的科学。1800年，英国化学家安东尼·卡莱尔和威廉·尼科尔森通过电解的方式成功将水分解为氢气和氧气。不久之后，德国化学家约翰·里特发现了电镀现象，同时观察到在电解过程中沉积的金属以及产生的氧气的量取决于电极之间的距离。随后英国化学家汉弗里·戴维爵士关于电解的研究得出电解反应是化学能和电能之间的相互转换的结论，随后用电解的方法得到了钠、钾等金属单质，成为发现元素单质最多的化学家。1833年，英国科学家法拉第在研究大量电解过程后提出了著名的法拉第电解定律，这个定律适用于一切电极反应的氧化还原过程，是电化学反应中的基本定量定律。法拉第定律——电解时电极上发生化学反应的物质的量与通过电解池的电荷量成正比，数学表达式即：电极反应通式可以写成：νM（氧化态）+ze-=νM（还原态）νM（还原态）=νM（氧化态）+ze-Q=zFξ法拉第定律说明，无论是原电池还是电解池，在稳恒电流的情况下，同一时间内流过电路中各点的电荷量是相等的。1836年，约翰·费德里克·丹聂尔使用稀硫酸作电解液，解决了电池极化问题，发明了使用过程中不会产生氢气的丹聂尔电池。1866年，法国人雷克兰士发明了碳锌电池，这一电池后来成为世界上第一种被广泛使用的化学电池。瑞典化学家斯凡特·奥古斯特·阿伦尼乌斯瑞典化学家斯凡特·奥古斯特·阿伦尼乌斯在1884年出版了他的论文《电解质导电性的研究》提出了他电解质电离理论，并得到了公众认可。随后德国科学家瓦爾特·能斯特在1888年提出了原电池的电动势的理论，随后他提出了能斯特方程。在电化学中，能斯特（Nernst）方程用来计算电极上相对于标准电势（E0）来说的指定氧化还原对的平衡电压(E)。能斯特方程只能在氧化还原对中两种物质同时存在时才有意义。在常温下（25°C=298.15K），有以下关系式：能斯特由因此，能斯特方程可以被简化为：在25°C：能斯特方程为：其中R是理想气体常数，等于8.314570J.K-1.mol-1。T是温度，单位开。a是氧化型和还原型化学物质的活度（活度=浓度*活度系数），其中[ox]代表氧化型，[red]代表还原型。F是法拉第常数，1F等于96485C.mol-1。n是半反应式的电子转移数，单位mol。这个方程将电池的电势同电池的各个性质联系起来。虽然能斯特的解释已为其他更好的解释所代替，但他的能斯特方程沿用至今。为电化学的发展做出了很大的贡献。20世纪：1923年德拜和休克尔把物理学中的静电学和化学联系起来，提出了强电解质离子互吸理论。由于该理论是建立在强电解全部电解这一假设上，因此又称为非缔合式的电解质理论。德拜-休克尔电解质溶液理论与能斯特方程方程极大促进了电化学理论及实验的发展，在电化学占有重要位置。20世纪后五十年，在电化学的发展史上出现了两个里程碑：Heyrovsky因创立极谱技术而获得1959年的诺贝尔化学奖，Marcus因电子传递理论（包括匀相和异相体系的电子传递）而获得1992年的诺贝尔化学奖.他工作的开拓性部分是在50年代后期创立的.这一时期，电化学在理论、实验和应用领域均有长足的、关键的发展，并且主要集中在界面电化学（包括界面结构、界面电子传递和表面电化）。70年代兴起的电化学表面光谱技术（例如紫外可见反射光谱、拉曼光谱、红外反射光谱、二次谱波、合频光谱等技术）、电化学现场波谱技术，以及非现场（exsitu）的表面和界面表征技术，尤其是许多高真空谱学技术，使界面电化学的分子水平研究成为可能.80年代出现的以扫描隧道显微镜（STM）为代表的扫描微探针技术，迅速被发展为电化学现场和非现场显微技术，尤其是电化学现场STM和AFM（原子力显微镜），为界面电化学的研究提供了宝贵的原子水平实验事实.总之，20世纪后五十年，由于上述各种实验技术的发展，促进了电化学中分子和原子水平的研究，为这一时期电化学理论和应用一些突破性进展奠定了基础.21世纪：由于材料、能源、信息、生命、环境对电化学技术的要求，电化学新体系和新材料的研究将有较大的发展目前可预见的有：（1）纳米材料的电化学合成；（2）纳米电子学中元器件、集成电路板、纳米电池、纳米光源的电化学制备；（3）微系统、芯片实验室的电化学加工以及界面动电现象在驱动微液流中的应用；（4）电动汽车的化学电源和信息产业的配套电源；（5）氢能源的电解制备；（6）太阳能利用实用化中的固态光电化学电池和光催化合成；（7）消除环境污染的光催化技术和电化学技术；（8）玻璃、陶瓷、织物等的自洁、杀菌技术中的光催化和光诱导表面能技术；（9）生物大分子、活性小分子、药物分子的电化学研究；（10）微型电化学传感器的研制。参考文献：1物理化学天津大学物理化学教研室编刘俊吉、周亚平高等教育出版社2第8卷第1期2002年2月电化学Vol.8No.1Feb.20023百度百科