本書在實驗電化學(xué)概述的基礎(chǔ)上,分為平衡態(tài)下的電化學(xué)、有電流流動的電化學(xué)、分析電化學(xué)、非傳統(tǒng)電化學(xué)、電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化與儲存、電化學(xué)生產(chǎn)等章節(jié)進(jìn)行了通用電化學(xué)實驗的基礎(chǔ)內(nèi)容闡述和實驗程序設(shè)計闡述。
《實驗電化學(xué)》為原著第二版的中譯版,共計實驗87個,讀者根據(jù)本書的內(nèi)容即可輕松掌握電化學(xué)實驗技能和研究技能。本書是國外經(jīng)典教材的翻譯圖書,是電化學(xué)領(lǐng)域較為優(yōu)秀的參考教材,不論對從事電化學(xué)研究的人員還是高等院校師生均有較好的參考作用。
第二版前言
本書的第一版深受讀者歡迎。在第二版中,作者指出了第一版中的一些錯誤,并對內(nèi)容進(jìn)一步補(bǔ)充與改進(jìn)。在日常生活中,電化學(xué)的重要性逐漸增加。例如,大量依靠可再生電能的移動設(shè)備,應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、環(huán)境和過程控制中琳瑯滿目的傳感器,新材料與新環(huán)境所需要的抗腐蝕保護(hù)與表面處理。本書自2009年第一版出版后,這幾年中新生事物的發(fā)展速度令人印象深刻,顯然這些新事物應(yīng)該在我們的新版本中體現(xiàn)。本版除了更正一些錯誤(感謝細(xì)心的讀者),還盡可能考慮到上述的發(fā)展變化,針對性地增加了新的實驗。讀者可以在電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化與儲存一章中發(fā)現(xiàn)這些重要內(nèi)容的拓展。但其中一些進(jìn)展,很難作為可執(zhí)行的實驗項目編寫進(jìn)本書,一般可以在高校的化學(xué)實驗室中實現(xiàn)。盡管如此,作者依然盡可能地更新了本書。網(wǎng)絡(luò)上與本書描述的實驗相關(guān)的詞條仍在噴涌增長,也提供了更多的信息來源(尤其是關(guān)于實驗背景的更多擴(kuò)展),很遺憾,由于本書篇幅所限,這些內(nèi)容無法充分展現(xiàn)。但即使如此,作者仍期望本版與第一版同樣受歡迎。
該部分修訂工作,是作者在復(fù)旦大學(xué)(中國上海)研究期間完成的,感謝吳玉萍團(tuán)隊的大力支持,為該部分工作創(chuàng)造了積極的氛圍。
Rudolf Holze
德國,開姆尼茨
2018年11月
第一版前言
電化學(xué)是一門從中學(xué)到博士階段都需要學(xué)習(xí)的課程,是一門交叉性極強(qiáng)的科學(xué)。電化學(xué)的過程、方法、模型和概念存在于科學(xué)和技術(shù)的眾多領(lǐng)域中,進(jìn)一步清晰地反映了這一科學(xué)分支鮮明的跨學(xué)科特色。因此,在各階段的教育都與電化學(xué)有眾多交叉。作為一門實驗性科學(xué),電化學(xué)需要個人對模型或理論的直接實踐檢驗,這比其他任何都更有說服力。正因如此,在教育的各階段,都可以發(fā)現(xiàn)不同復(fù)雜程度的電化學(xué)實驗。其互動的強(qiáng)度范圍涵蓋從電化學(xué)儀器的簡單應(yīng)用(例如pH測量或電解制氫氣)到許多大學(xué)提供的、完整的電化學(xué)實驗課程。電化學(xué)在傳感器、表面技術(shù)、材料科學(xué)、微系統(tǒng)技術(shù)和納米技術(shù)等眾多應(yīng)用中愈顯重要,這對于提升電化學(xué)科學(xué)的重要性和普遍性有重要意義。
《電化學(xué)實驗》一書最初由Erich Mller于1931年出版,在該書于1953年出版了第九版(也是最后一版)后,再也沒有出版過提供可重復(fù)的電化學(xué)實驗描述的德文教科書。即便是英文教科書,其最后出版時間也只是稍微近一些。由N.J.Selley編寫的《電化學(xué)的實驗方法》(Edward Arnold,倫敦,1977年)也已經(jīng)絕版很久了。此外,J.OM.Bockris和R.A.Fredlein編寫的《電化學(xué)工作手冊》(Plenum Press,紐約-倫敦,1973年),雖然其中并沒有描述任何實驗,但仍然是對電化學(xué)理論角度的一個有力補(bǔ)充,很不幸,其也遭遇了同樣的絕版命運(yùn)。顯然,一本包含可重復(fù)實驗描述且適用于中學(xué)到大學(xué)、研究生所有學(xué)習(xí)階段的教科書是必不可少的。其中,由歐洲化學(xué)學(xué)會聯(lián)合會開發(fā)的《歐洲電化學(xué)課程》于1999年獲得批準(zhǔn)(迄今為止仍未開課),該課程將添加對實驗室實驗的具體描述以補(bǔ)充現(xiàn)有大量教科書的不足。以該課程為指導(dǎo),本書選擇介紹的內(nèi)容基于廣泛的實驗收集,可作為化學(xué)、材料科學(xué)和其他學(xué)科學(xué)生的一部分實驗室課程。此外,由于一些學(xué)校的學(xué)生是首次接觸電化學(xué)實驗,故本書也為這些學(xué)校的教師專門設(shè)計了實驗。由于整個電化學(xué)領(lǐng)域無法由一個研究團(tuán)隊獨立地完整呈現(xiàn),因此本書包括了由其他大學(xué)的教師提供的實驗與描述。這里要特別感謝F.Beckt、H.Schafer、J.-W.Schultzet、M.Paul、K.Banert、H.J.Thomas、R.Daniel Little和E.Steckhant。如果沒有富有創(chuàng)造力的學(xué)生和研究人員的熱情合作,所述實驗的研發(fā)和作者團(tuán)隊的相應(yīng)說明是無法面世的。感謝W.Leyffer、K.Pflugbeil、J.Poppe和M.Stelter通過對實驗概念的仔細(xì)評估和優(yōu)化,為本書提供了寶貴的支持,感謝眾多學(xué)生提供了實驗課程的結(jié)果和建議。最后,E.Rahm檢查了關(guān)于實際應(yīng)用的許多描述。如果沒有她,大大小小的缺陷都會被印刷出來。本書部分手稿是在圣彼得堡國立大學(xué)期間準(zhǔn)備的,感謝東道主V.Malev的慷慨款待與提供的舒適環(huán)境,并特別致謝DAAD的旅行津貼。
電化學(xué)的范圍不僅體現(xiàn)在方法與概念的多樣性上,還表現(xiàn)在所使用的儀器和工具的種類上。本書描述的實驗從在學(xué)校可實現(xiàn)的簡單測試,到需要光譜儀和其他大型儀器的復(fù)雜研究(這很可能只有在大學(xué)實驗室才可行)。因此,作者希望為以下兩類教師提供有價值的信息:尋求演示電離實驗的高中教師以及擴(kuò)展物理或有機(jī)化學(xué)實驗課程的大學(xué)教授。
本書所有的描述都清晰、明確,包括成功重復(fù)實驗所需的所有細(xì)節(jié),同時避免不必要的細(xì)節(jié)。只有在真正必要的情況下,才會增加實驗裝置的實際細(xì)節(jié)和制造指導(dǎo)。本書未提供每個化學(xué)實驗室都可能存在的危險、風(fēng)險的完整說明,只有在特殊危險的情況下才提供安全說明和安全實驗的建議?紤]到各校購置儀器或設(shè)備不同,本書也未提及或建議所需的儀器制造商。本書只說明了儀器的具體特點,如光譜實驗所需的儀器。
本書未附加電化學(xué)教科書,因為任何嘗試都會因篇幅過大導(dǎo)致使用不便。相反,在每一部分的開頭都提供了簡短的背景介紹,并輔以C.H.Hamann、A.Hamnett和W.Vielstich的《電化學(xué)》(第二版,Wiley-VCH和Weinheim,2007年)一書的參考資料,以EC和相應(yīng)的頁碼進(jìn)行引用。必要時,也引入了其他更多的參考教科書、評論文章和研究論文。
本書收集的大量實驗以及后附的實驗說明,是一個進(jìn)行時的工作。可以隨著電化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展,持續(xù)添加更多新的、目前還不太流行的實驗。這些內(nèi)容可以參見http://www.tu-chemnitz.de/chemie/elchem/elpra。 圖中的符號和描述,采用了IUPAC推薦的標(biāo)準(zhǔn)[Pure Appl.Chem.1974,(37):499]。與以前的教科書相比,可能偶爾會導(dǎo)致輕微的混淆,因此符號、首字母縮略詞和縮寫的列表會提供幫助。為避免混淆,維度由斜杠(數(shù)量演算)分隔;方括號只在必要時使用。
Rudolf Holze
德國,開姆尼茨
2008年12月
1 引言:實用電化學(xué)綜述001
使用提示003
電極004
測量儀器007
電化學(xué)電池007
數(shù)據(jù)記錄009
2 平衡態(tài)下的電化學(xué)011
實驗2.1:電化學(xué)序列表012
實驗2.2:標(biāo)準(zhǔn)電極電位與平均活度系數(shù)015
實驗2.3:pH測量與電位指示滴定法021
實驗2.4:氧化還原滴定法(鈰量法)026
實驗2.5:差示電位滴定法028
實驗2.6:草酸氧化動力學(xué)的電位測定031
實驗2.7:極化與分解電壓035
實驗2.8:一種簡單的相對氫電極039
3 有電流流動的電化學(xué)043
實驗3.1:電場中的離子運(yùn)動044
實驗3.2:紙電泳046
實驗3.3:電解質(zhì)溶液中的電荷傳輸047
實驗3.4:電導(dǎo)滴定法051
實驗3.5:化學(xué)組成與電解液電導(dǎo)054
實驗3.6:法拉第定律055
實驗3.7:酯類皂化動力學(xué)058
實驗3.8:離子的運(yùn)動與希托夫遷移數(shù)062
實驗3.9:電還原甲醛的極譜研究067
實驗3.10:靜態(tài)電流-電位曲線的恒電流測量072
實驗3.11:循環(huán)伏安法075
實驗3.12:慢掃描循環(huán)伏安法081
實驗3.13:循環(huán)伏安法的動力學(xué)研究085
實驗3.14:循環(huán)伏安圖的數(shù)值模擬089
實驗3.15:微電極循環(huán)伏安法091
實驗3.16:有機(jī)分子的循環(huán)伏安法095
實驗3.17:非水溶液中的循環(huán)伏安法101
實驗3.18:連續(xù)電極過程的循環(huán)伏安法測試103
實驗3.19:芳香烴的循環(huán)伏安法106
實驗3.20:苯胺和聚苯胺循環(huán)伏安法109
實驗3.21:恒電流階躍測量法113
實驗3.22:超級電容器電極的循環(huán)伏安法116
實驗3.23:計時電流法119
實驗3.24:計時庫侖法121
實驗3.25:旋轉(zhuǎn)圓盤電極123
實驗3.26:旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極128
實驗3.27:電極阻抗的測量131
實驗3.28:腐蝕電池133
實驗3.29:充氣電池135
實驗3.30:濃差電池137
實驗3.31:埃文斯鹽水滴實驗138
實驗3.32:鐵表面的鈍化與活化139
實驗3.33:腐蝕電極的循環(huán)伏安法141
實驗3.34:腐蝕電極的塔菲爾曲線143
實驗3.35:腐蝕電極的阻抗145
實驗3.36:腐蝕電極的線性極化電阻148
實驗3.37:振蕩反應(yīng)150
4 分析電化學(xué)153
實驗4.1:離子選擇性電極154
實驗4.2:電位指示滴定法156
實驗4.3:雙電位指示滴定法161
實驗4.4:電導(dǎo)指示滴定法163
實驗4.5:電重量分析法165
實驗4.6:庫侖滴定法167
實驗4.7:安培滴定法170
實驗4.8:極譜分析法(基本原理)175
實驗4.9:極譜分析法(高級方法)179
實驗4.10:陽極溶出伏安法181
實驗4.11:磨料溶出伏安法184
實驗4.12:陰離子極譜分析186
實驗4.13:表面張力電量法189
5 非傳統(tǒng)電化學(xué)194
實驗5.1:紫外可見光譜195
實驗5.2:表面增強(qiáng)拉曼光譜198
實驗5.3:自組裝單分子層的表面增強(qiáng)拉曼光譜200
實驗5.4:紅外光譜電化學(xué)202
實驗5.5:電致變色204
實驗5.6:本征導(dǎo)電聚苯胺超級電容器電極材料的充放電拉曼光譜監(jiān)測206
6 電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化與儲存208
實驗6.1:鉛酸蓄電池209
實驗6.2:鎳鎘蓄電池的放電行為213
實驗6.3:燃料電池的性能數(shù)據(jù)215
實驗6.4:超級電容器充電218
實驗6.5:超級電容器放電222
實驗6.6:鋅-空氣電池223
實驗6.7:鋰離子電池225
實驗6.8:鎳鎘蓄電池的低溫放電行為227
實驗6.9:恒定負(fù)載下鎳鎘蓄電池的放電行為229
實驗6.10:紐扣電池的阻抗231
實驗6.11:恒電位極化曲線233
實驗6.12:恒電流極化曲線235
7 電化學(xué)生產(chǎn)237
實驗7.1:置換反應(yīng)238
實驗7.2:銅的電沉積239
實驗7.3:鋁的電化學(xué)氧化240
實驗7.4:醋酸的科爾貝(Kolbe)電解242
實驗7.5:乙酰丙酮的電解244
實驗7.6:丙二酸二乙酯的陽極氧化246
實驗7.7:乙酰乙酸乙酯(2-氧亞基丁酸乙酯)的間接陽極二聚反應(yīng)248
實驗7.8:丙酮的電化學(xué)溴化反應(yīng)249
實驗7.9:乙醇的電化學(xué)碘化反應(yīng)251
實驗7.10:過硫酸鉀的電化學(xué)生產(chǎn)253
實驗7.11:隔膜法電解氯堿的產(chǎn)率測定254