电化学（Electrochemistry）是研究电能与化学能之间相互转换及转换过程中相关现象的科学。它既是物理化学的一个重要分支，也是一门应用性极强的交叉学科。
以下是电化学的核心要点、详细解释和知识点的系统梳理。
一、核心要点与框架
电化学的核心围绕着“两个过程、一个界面、四种器件”展开，其核心框架与内在联系如下图所示：
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flowchart TD A[“电化学核心：<br>电能与化学能的相互转换“]--> B[“转换基础：<br>氧化还原反应(Redox)“] B --> C[“反应场所：<br>电极/溶液界面(双电层)“] C --> D1[“自发过程<br>(化学能→电能)“] C --> D2[“非自发过程<br>(电能→化学能)“] D1 --> E1[原电池<br>Galvanic Cell] D2 --> E2[电解池<br>Electrolytic Cell] E1 & E2 --> F[具体应用器件] subgraph F[四大应用器件] F1[化学电池<br>Battery] F2[电解池<br>Electrolyzer] F3[电镀池<br>Electroplating Bath] F4[腐蚀电池<br>Corrosion Cell] end
这个框架是理解所有电化学现象和应用的基础。无论是手机电池还是金属冶炼，都遵循这些基本原理。
二、详细知识点与解释1.基本概念与核心原理
氧化还原反应：
解释：电化学反应的实质是氧化还原反应。氧化是失去电子的过程；还原是得到电子的过程。两者必须同时发生。
要点：在电化学中，氧化反应和还原反应被空间上分离，分别在两个电极上进行，电子通过外电路传递，从而形成电流。
电极与电解池构成：
电极：导电体，反应在此发生。
阳极：发生氧化反应的电极。总是向外部电路输出电子。（记忆口诀：阳氧）
阴极：发生还原反应的电极。总是从外部电路接收电子。（记忆口诀：阴还）
电解质：含有可移动离子、能导电的溶液或熔融盐。
外电路：电子流动的路径。
盐桥：连接两个半电池，维持电荷平衡，使电流得以持续。
原电池 vs.电解池：
这是最关键的区别之一。
特征原电池电解池能量转换化学能→电能电能→化学能反应自发性自发进行非自发，需要外加电源驱动阳极极性负极正极阴极极性正极负极电子流向从阳极（负极）流向阴极（正极）从电源负极流向阴极（负极）示例干电池、手机锂电池电解水、电镀、电冶金2.热力学：电极电位与能斯特方程
电极电位：
解释：金属插入其盐溶液后，在金属/溶液界面会形成双电层，产生一个电势差，称为电极电位。绝对值无法测量。
标准氢电极：人为规定其电位为 0 V，作为参比基准。
标准电极电位：在标准条件下（25°C， 1M， 100kPa），某电极与标准氢电极组成的原电池的电动势，记作 E°。
意义：E°值越正，该电对中的氧化态物质越容易得电子（氧化性越强）；E°值越负，该电对中的还原态物质越容易失电子（还原性越强）。
能斯特方程：
解释：描述了电极电位与反应物浓度（或活度）、温度的定量关系。
公式：对于反应$aOx + ne^-\rightleftharpoons bRed$
$E = E°-\frac{RT}{nF}\ln \frac{[Red]^b}{[Ox]^a}$
其中，R是气体常数，T是温度，F是法拉第常数，n是转移电子数。
要点：浓度变化会影响电极电位的实际大小。例如，减小生成物浓度或增加反应物浓度会使电位正移。
电池电动势与吉布斯自由能：
公式：$\Delta G =-nFE$
解释：电池的电动势 E直接决定了反应能否自发（ΔG < 0则自发）以及对外做电功的最大能力。
3.动力学：反应速率与极化
电流与反应速率：
解释：电流 I的大小直接正比于反应速率。根据法拉第定律，通过的电量决定了发生反应的物质的量。
极化与过电位：
解释：当电极上有电流通过时，电极电位会偏离其平衡电位的现象。
原因：
活化极化：反应本身需要克服能垒，需要额外的电压来驱动。这与电极材料和反应本身的特性密切相关。
浓度极化：反应物消耗过快，来不及从溶液本体扩散到电极表面，导致电极表面浓度降低。
电阻极化：电解质或电极表面膜存在电阻，产生额外电压降。
过电位：实际电位与平衡电位之差的绝对值，记作η。过电位越大，能量效率越低。
意义：极化解释了为什么实际电池电压总是低于理论电动势，以及为什么电解需要的外加电压总是高于理论分解电压。
4.应用领域
能量存储与转换：
电池：将化学能转化为电能。
一次电池：不可充电，如锌锰干电池。
二次电池：可充电，如锂离子电池（阴极：LiCoO₂等，阳极：石墨，依靠Li⁺在两极间嵌入和脱出工作）。
燃料电池：将燃料（如H₂）和氧化剂（如O₂）的化学能直接转化为电能，能量转换效率高。
电解工业：
氯碱工业：电解食盐水，生产氯气、氢气和氢氧化钠。
电冶金：电解熔融Al₂O₃生产金属铝。
电镀：利用电解原理，在物件表面镀上一层金属或合金，用于防腐、装饰或增强耐磨性。
腐蚀与防护：
电化学腐蚀：金属在电解质溶液中形成微小的原电池而发生腐蚀，这是最主要的腐蚀形式（如钢铁的生锈）。
防护方法：
阴极保护：将被保护金属作为阴极，通过外加电流或连接一个更活泼的金属（牺牲阳极，如锌）来实现保护。
阳极保护：对于易钝化金属，通过外加电流使其保持在钝化区。
分析化学：
电位分析法：利用电极电位与离子浓度的关系测定物质含量，如pH计。
电解分析法：通过称量电解后电极上析出物质的质量来进行定量分析。
总结
电化学的要点在于：
理解能量转换的核心是氧化还原反应在空间上的分离。
掌握热力学工具（电极电位、能斯特方程）来判断反应的方向和限度。
认识动力学因素（极化、过电位）来解释实际与理论的偏差并优化过程。
联系实际应用，从身边的电池到大规模的工业电解，电化学无处不在。
这门学科将抽象的化学反应与可测量的电学参数（电压、电流）紧密联系起来，提供了强大的理论分析和实际应用能力。