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电化学应用修改

电化学的应用

作者彭荣华

知识经纬

【专题内容】

本专题所涉及的模块包括必修2第二章第二节后半部分和选修4第四章的第二节和第四节，主要包括化学电源、电解原理在工业生产中的应用以及运用电化学知识指导防止金属的腐蚀。

【学习目标】

1．了解日常生活中的各种化学电池。

2．了解常见化学电源的工作原理。

3．了解电解原理在工业生产中的应用，特别是在氯碱工业、电镀和电冶金等方面的应用。

4．了解金属腐蚀的类型，知道防止金属腐蚀的方法。

【知识地图】

化学电源：

一次电池、二次电池、燃料电池等

原电池的应用

金属的腐蚀与防护

金属腐蚀化学腐蚀

电化学腐蚀析氢腐蚀

吸氧腐蚀

金属防护覆盖保护层或改变金属的内部结构

电化学防护牺牲阳极的阴极保护法

电化学的应用

外加电源的阴极保护法

判断金属活动性

加快氧化还原反应的速率

氯碱工业：

电解饱和食盐水制取烧碱、氯气和氢气

电解池的应用

定义

①镀件作阴极

电镀

电镀池形成条件②镀层金属作阳极

③电镀液中含镀层金属离子

电解精炼

电解冶金

“三点”聚焦

【重点解读】

1、氯碱工业——电解饱和食盐水制取氯气和烧碱

1原理：

阳极（用石墨）：

2Cl―－2e－=Cl2↑阴极（用Fe）：

2H＋+2e－=H2↑

总反应：

2NaCl+2H2O

2NaOH+H2↑+Cl2↑

（阴极室中）（阳极室中）

⑵饱和食盐水的精制：

电解前应除去食盐溶液中的Ca2＋、Mg2＋、SO42―等杂质离子，加入试剂依次为NaOH溶液、BaCl2溶液、Na2CO3溶液、稀盐酸（或将BaCl2溶液和NaOH溶液的顺序互换）。

⑶离子交换膜法制烧碱

离子交换膜电解槽主要由阳极（用金属钛网制成，涂有钛、钌等氧化物涂层）、阴极（由碳钢网制成，上面涂有镍涂层）、离子交换膜、电解槽框、导电铜棒等组成。

离子交换膜的特性：

只允许阳离子通过，而阻止阴极离子和气体通过。

2、电镀

（以镀铜为例来说明）

（1）电镀池（电解池）的组成

①被镀镀件做阴极

②镀层金属（如铜）做阳极

③含镀层金属阳离子（如CuSO4溶液）的盐

溶液作电解质溶液，并与外电源形成闭合回路。

（2）电镀原理（过程）分析

（Ⅰ）通电前（电离）

CuSO4=Cu2+＋　SO42－H2O

H＋＋OH－

（Ⅱ）通电时（离子迁移）Cu2＋、H＋向阴极迁移，OH－、SO42－向阳极迁移。

（Ⅲ）电极反应

阴极（Cu2＋＞H＋）Cu2＋＋2e－Cu（还原）

阳极（金属阳极＞OH－＞SO42－）Cu－2e－Cu2＋（氧化）

电解方程式（一般不写）

Cu（阳极金属铜溶解）Cu（阴极金属铜析出）

（Ⅳ）现象阳极逐渐溶解；阴极析出红色物质。

（Ⅴ）本质铜阳极上的铜在直流电的作用下逐渐转移到阴极，阴极镀件上析出金属铜。

镀锌、镀铬、镀镍等与镀铜类似。

（3）电镀的概念利用电解原理在金属或非金属表面镀上一薄层其他金属或合金的过程叫做电镀。

（4）电镀的目的（意义）使金属或非金属物件更加美观耐用，增强抗锈抗腐能力。

3、铜的电解精炼

（1）电解精炼铜电解池的组成

①纯铜阴极

②粗铜（含杂质Zn、Fe、Ni、Ag、Au等）阳极

③含Cu2＋的盐溶液（如CuSO4溶液）做电解质溶液

并与外电源形成闭合回路。

（2）电解精炼铜的原理（过程）分析

（Ⅰ）通电前（电离）

CuSO4Cu2+＋　SO42－H2OH＋＋OH－

（Ⅱ）通电时（离子迁移）Cu2＋、H＋向阴极迁移，OH－、SO42－向阳极迁移。

（Ⅲ）电极反应

阴极（Cu2＋＞H＋）Cu2＋＋2e－Cu（还原）

阳极（金属阳极＞OH－＞SO42－）M－2e－M2＋（氧化）

（M＝Zn、Fe、Ni、Cu）Zn2＋、Fe2＋、Ni2＋比Cu2＋难放电而除去，Cu2＋在阴极获得电子析出纯铜，Ag、Au比铜难失电子从阳极脱落形成阳极泥（提取贵重金属金和银），所得金属铜叫做电解铜（含Cu99.95－99.98％）制电器电线。

电解方程式（一般不写）Cu（阳极金属铜溶解）Cu（阴极金属铜析出）

（Ⅳ）现象阳极逐渐溶解，底部有泥状物质沉淀；阴极析出红色物质。

（Ⅴ）本质粗铜阳极上的铜在直流电的作用下逐渐转移到阴极，粗铜中的杂质进入溶液或阳极泥而除去。

4、电解法冶炼活泼金属

Na、Mg、Al等活泼金属都可用电解它们的熔融盐或氧化物制得。

2NaCl

2Na+Cl2↑（制Na）MgCl2

Mg+Cl2↑（制Mg）

2Al2O3

4Al+3O2↑（制Al）

电解是最强有力的氧化还原手段。

【疑难点拨】

1、可充电电池

放电时相当于原电池，负极发生氧化反应，正极发生还原反应；充电时相当于电解池，放电时的正极变为电解池的阳极，与外电源正极相连，负极变为阴极，与外电源负极相连。

2、电解规律

⑴惰性电极电解酸、碱、盐溶液的结论

①含氧酸溶液的电解就是电解水；

无氧酸溶液的电解就是溶质本身的分解；

②可溶性碱溶液的电解就是电解水；

③活泼金属含氧酸盐溶液的电解就是电解水；

不活泼金属含氧酸盐溶液的电解就是金属阳离子和OH——的电解；

不活泼金属无氧酸盐溶液的电解就是溶质本身的分解；

活泼金属无氧酸盐溶液的电解就是H+和无氧酸根的电解。

⑵电解各种电解质溶液的情况（惰性电极）

【方法应用】

1、原电池原理的三个应用和依据：

（1）电极反应现象判断正极和负极，以确定金属的活动性。

其依据是：

原电池的正极上的现象是：

有气体产生，电极质量不变或增加；

原电池的负极上的现象是：

电极不断溶解，质量减少。

（2）分析判断金属腐蚀的速率，分析判断的依据，对某一个指定金属其腐蚀快慢顺序是：

作电解池的阳极＞作原电池的负极＞非电池中的该金属＞作原电池的正极＞作电解池的阴极。

判断依据：

①根据反应现象原电池中溶解的一方为负极，金属活动性强。

②根据反应的速度判断强弱。

③根据反应的条件判断强弱。

（3）由电池反应分析判断新的化学能源的变化，分析的思路是先分析电池反应有关物质化合价的变化，确定原电池的正极和负极，然后根据两极的变化分析其它指定物质的变化。

2、电解原理的应用

电解食盐水

电解Al2O3（熔融态）

电　　镀

电解精炼

装置示意图

阴极反应

2H++2e-=H2↑

4Al3++12e-=4Al

Zn2++2e-=Zn

Cu2++2e-=Cu

（精铜）

阳极反应

2Cl--2e-=Cl2↑

6O2--12e-=3O2↑

Zn-2e-=Zn2+

Cu-2e-=Cu2+

（粗铜）

电解总反应

2NaCl+2H2O

2NaOH+H2↑+Cl2↑

2Al2O3

4Al+3O2↑

—

—

说　　明

（1）阴极室与阳极室应用隔膜分开。

（2）食盐水需经净化，除Mg2+、Ca2+、SO42-等离子。

（1）为降低Al2O3熔点，需加助熔剂（冰晶石）。

（2）阳极生成的O2与碳反应，生成CO2，需要定期更换石墨阳极。

电解生成的铝积存在槽底，定期汲出。

（3）实际过程复杂，上述反应仅是粗略的表示

（1）镀件必须作阴极。

（2）镀层金属作阳极。

（3）用含镀层阳离子的溶液作电镀液。

（1）粗铜作阳极，溶解下来。

（2）精铜作阴极。

3、原电池和电解池的区别和联系

原电池

电解池

能量转化

化学能→电能

电能→化学能

反应特征

自发进行的氧化还原反应

非自发进行的氧化还原反应

电极名称

由电极本身决定

负极：

相对较活泼金属

正极：

相对不活泼金属

由电源决定

阴极：

与负极相连

阳极：

与正极相连

电极反应

负极：

氧化反应

正极：

还原反应

阴极：

还原反应

阳极：

氧化反应

装置特征

无电源，两极不同

有电源，两极可以相同，也可以不同

电子流动方向

溶液中离子流向

阳离子移向正极

阴离子移向负极

阳离子移向阴极

阴离子移向阳极

联　　系

两者均发生氧化还原反应

说明：

　　电解池有两种连接方式：

串联、并联

4、原电池原理应用

（1）制作干电池、蓄电池、高能电池；

（2）比较金属腐蚀的快慢（负极金属先被腐蚀）；

（3）防护金属腐蚀（被保护的金属作正极）；

（4）比较反应速率（如粗锌与稀硫酸反应比纯锌快）；

（5）比较金属活动性强弱（被溶解的负极金属较活泼）；

（6）判断溶液pH变化（如发生吸氧腐蚀时，因有正极反应O2+2H2O+4e-=4OH-，使溶液pH值升高，正极附近溶液能使酚酞变红）。

（7）根据电池反应判断新的化学电源的变化，（方法是先分析电池反应中有关物质化合价变化，确定原电池正极和负极，然后根据两极变化分析判断其它指定性质的变化）。

5、原电池、电解池、电镀池的判定规律

（1）单池判断规律：

若无外接电源则为原电池（符合原电池的构成原理），若有外接电源且阳极材料与电解液中阳离子为同种元素则为电镀池，有外接电源符合电解池的基本构造则为电解池。

（2）组合池判断规律：

当多池组合时，若无外电源，则该组合中必有一池为原电池，通常选择两极活泼性差异最大的池，若有外电源，则各池均为电解池（再看是否有特殊构造以判断是否有电镀池）。

6、电解原理的有关结论

（1）在电解过程中，无论是什么样的电极，其阴极质量不会减少，阳极质量不会增加。

也就是说；如果题设条件说某电极质量增加，那么该电极一定为阴极；同理如果某电极质量减少，那么该电极一定为阳极。

（2）在电解过程中，如果某电极质量增加，则该电极一定是与电源负极相连的阴极；如果某电极的质量减少，则刻电极一定是与电源正极相连的活性金属。

此时溶液中一定存在氧化能力大于氢离子的金属离子。

（3）在电解过程中，如果阴极质量不变，则该电极一定为惰性电极，此电极一定有气体产生，且该气体一定是氢气。

（4）在溶液中，如果阳离子的放电能力强于氢离子，而阴离子的放电能力强于氢氧根离子时，电解的本质是，电解电解质本身。

（5）电解溶剂型；如：

碱、含氧酸、活泼金属的含氧酸盐。

（6）电解溶质型；如：

无氧酸、不活泼金属的无氧酸盐。

（7）溶剂溶质均被电解；如：

活泼的金属无氧酸盐、不活泼金属的含氧酸盐。

典例透析

例1．有人设计出利用CH4和O2的反应，用铂电极在KOH溶液中构成原电池。

电池的总反应类似于CH4在O2中燃烧，则下列说法正确的是（）

①每消耗1molCH4可以向外电路提供8mole-

②负极上CH4失去电子，电极反应式CH4+10OH-－8e-=CO32-+7H2O

③负极上是O2获得电子，电极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-

④电池放电后，溶液pH不断升高

A.①②B.①③C.①④D.③④

[解析]A本题是考查原电池原理在燃料电池中的具体应用，首先要判断出电池的正负极，其方法是确定在该电极上发生的是失电子还是得电子反应，若发生的是失电子反应是原电池的负极，反之是正极。

CH4在铂电极上发生类似于CH4在O2燃烧反应，即CH4→CO2严格讲生成的CO2还与KOH反应生成K2CO3，化合价升高，失去电子，是电池的负极，电极反应式为CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O，1molCH4参加反应有8mole-发生转移，O2在正极上发生反应，获得电子，电极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-。

虽然正极产生OH-，负极消耗OH-，但从总反应CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O可看出是消耗KOH，所以电池放电时溶液的pH不断下降，故①②正确，③④错误。

点评：

燃料电池在特定条件下发生的反应就是在一般原电池反应的式子上，加上该条件的影响而得到的最后结果。

例2．以下现象与电化学腐蚀无关的是（）

A．黄铜（铜锌合金）制作的铜锣不易产生铜绿

B．生铁比软铁芯（几乎是纯铁）容易生锈

C．锈制器件附有铜质的配件，在接触处易生铁锈

D．银质奖牌久置后表面变暗

[解析]D。

本题考查对电化学腐蚀的理解。

电化腐蚀是指不纯的金属（或合金），接触到电解质溶液时发生了原电池反应，比较活泼的金属原子失去电子而被氧化所引起的腐蚀。

选项A中黄铜是铜锌合金，可以构成原电池，但铜没有锌活泼，被腐蚀的是锌而不是铜，所以不易产生铜绿；

选项B中生铁是铁碳合金，可以构成原电池而使铁腐蚀生锈，软铁芯几乎是纯铁，不构成原电池。

选项C中铁与铜接触则构成原电池，铁比铜活泼，铁就腐蚀生成铁锈。

所以A、B、C三个选项的现象均与电化学腐蚀有关。

选项D中银质奖牌是由较纯的银制做的，不构成原电池，久置后表面变暗是跟空气中的多种物质反应造成的。

例3．试根据氧化还原反应2FeCl3+Cu＝2FeCl2+CuCl2设计原电池。

电解质溶液为；

负极材料是，电极反应式为；

正极材料是，电极反应式为；

[解析]FeCl3溶液CuCu-2e-=Cu2+碳棒或其它活动性比铜弱的金属甚至非金属2Fe3++2e=2Fe2+

将氧化还原反应拆成两个半反应：

一个是在负极发生的氧化反应，一个是在正极发生的还原反应；在氧化还原反应：

2Fe3++Cu＝2Fe2++Cu2+中，氧化反应为：

Cu（s）-2e-=Cu2＋（aq），铜片失去电子被氧化，所以铜片为负极；还原反应为：

2Fe3++2e-=2Fe2+，它在正极作用，正极材料不参与反应，故选择其它活动性比铜弱的金属甚至非金属如石墨等。

从总反应可判断出FeCl3溶液为电解质溶液。

例4．某学生试图用电解法根据电极上析出物质的质量来验证阿伏加德罗常数值，其实验方案的要点为：

①用直流电电解氯化铜溶液，所用仪器如图。

②强度为IA，通电时间为ts后，精确测得某电极上析出的铜的质量为mg。

试回答：

（1）这些仪器的正确连接顺序为（用图中标注仪器接线柱的英文字母表示，下同）

E接____________，C接____________，____________接F。

实验线路中的电流方向为________→_______→________→C→________→________

（2）写出B电极上发生反应的离子方程式____________，G试管中淀粉KI溶液变化的现象为____________，相应的离子方程式是____________。

（3）为精确测定电极上析出铜的质量，所必需的实验步骤的先后顺序是____________。

①称量电解前电极质量②刮下电解后电极上的铜并清洗③用蒸馏水清洗电解后电极④低温烘干电极后称量⑤低温烘干刮下的铜后称量⑥再次低温烘干后称量至恒重

（4）已知电子的电量为1.6×10－19C。

试列出阿伏加德罗常数的计算表达式：

NA=____________。

[解析]命题意图：

考查学生对电解原理的理解及完成电解实验的能力。

知识依托：

电解原理。

错解分析：

电解CuCl2（aq）发生如下反应：

Cu2＋＋2Cl－

Cu＋Cl2↑

Cl2有毒，须作处理，装置中G，作用即此，如果不注意观察，忽略了或猜不透G的作用，就会得出错误的答案。

不能排除②⑤干扰，也会得出错误答案。

解题思路：

（1）B电极上应产生Cl2：

2Cl－－2e－====Cl2↑

B极上流出电子，电子进入直流电源的正极，即F极，故可得仪器连接顺序及电流方向。

（2）B中产生Cl2，Cl2进入G中与KI反应，有I2生成，I2使淀粉变蓝色。

（3）镀在A电极上的Cu是没必要刮下的，也无法刮干净，还能将A电极材料刮下，故②⑤两步须排除在外。

（4）由电学知识，可求电量Q：

Q=IA×ts=ItC

由此可求出通过的电子个数：

N（e－）=

其物质的量为：

n（e－）=

而电子个数与Cu的关系为：

Cu2＋＋2e－====Cu

根据生成Cumg得：

=

×

NA可求。

答案：

（1）DABFBADE

（2）2Cl－－2e－====Cl2↑变蓝色Cl2＋2I－====2Cl－＋I2↓

（3）①③④⑥

（4）NA=

mol－1

实战演练

1、氢氧燃料电池以H2为还原剂，O2为氧化剂，电极为多孔镍，电解液为30％的KOH溶液，下列有关叙述正确的是（）

①负极反应为4OH——4e-=O2↑+2H2O

②负极反应H2+2OH——2e-=2H2O

③工作时正极区pH升高，负极区pH降低

④工作时溶液中阴离子移向正极

A、③④B、②③C、②④D、①④

2、下列有关金属腐蚀与防护的说法正确的是（）

A.纯银器表面在空气中因化学腐蚀渐渐变暗

B.当镀锡铁制品的镀层破损时，镀层仍能对铁制品起保护作用

C.在海轮外壳连接锌块保护外壳不受腐蚀是采用了牺牲阳极的阴极保护法

D.可将地下输油钢管与外加直流电源的正极相连以保护它不受腐蚀

3、高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。

高铁电池的总反应为3Zn+2K2FeO4+8H2O

3Zn（OH）2+2Fe（OH）3+4KOH

下列叙述不正确的是（）

A．放电时负极反应为：

Zn—2e—+2OH—=Zn（OH）2

B．充电时阳极反应为：

Fe（OH）3—3e—+5OH—=FeO

+4H2O

C．放电时每转移3mol电子，正极有1molK2FeO4被氧化

D．放电时正极附近溶液的碱性增强

4、500mLKNO3和Cu（NO3）2的混合溶液中c（NO3－）＝6.0mol·L－1，用石墨作电极电解此溶液，当通电一段时间后，两极均收集到22.4L气体（标准状况），假定电解后溶液体积仍为500mL，下列说法正确的是（）

A．原混合溶液中c（K＋）为2mol·L－1B．上述电解过程中共转移4mol电子

C．电解得到的Cu的物质的量为0.5molD．电解后溶液中c（H＋）为2mol·L－1

5、将质量相等的铜片和铂片插入硫酸铜溶液中，铜片与电源正极相连铂片与电源负极相连，以电流强度1A通电10min，然后反接电源，以电流强度2A继续通电10min。

下列表示铜电极.铂电极.电解池中产生气体的质量和电解时间的关系图正确的是（）

6、右图为直流电源电解稀Na2SO4水溶液的装置。

通电后在石墨电极a和b附近分别滴加一滴石蕊溶液。

下列实验现象中正确的是（）

A．逸出气体的体积，a电极的小于b电极的

B．一电极逸出无味气体，另一电极逸出刺激性气味气体

C．a电极附近呈红色，b电极附近呈蓝色

D．a电极附近呈蓝色，b电极附近呈红色

7、下图中A为电源，B为浸透饱和食盐水和酚酞试液的滤纸，C为盛有稀硫酸的电解槽，e、f为Pt电极。

接通电源后，发现d点显红色。

下列有关说法正确的是（）

 A．电源A上的a极是正极

B．d极上的电极反应方程式为2Cl-＋2e-＝Cl2↑ 

C．e、f极上产生的气体体积比为2:

1

D．C中溶液的pH增大

8、A、B、C是三种金属，根据下列①、②两个实验：

①将A与B浸在稀H2SO4中用导线相连，A上有气泡逸出B逐渐溶解；②电解物质的量浓度相同的A、C的盐的混合溶液时，阴极上先析出C，（使用惰性电极），确定它们的还原性强弱顺序为（）

A．A＞B＞CB．B＞C＞AC．C＞A＞BD．B＞A＞C

9、在右图所示的实验装置中，E为一张用淀粉、碘化钾和酚酞混合溶液润湿的滤纸，C，D为夹在滤纸两端的铂夹，X，Y分别为直流电源的两极。

在A，B中充满KOH溶液后倒立于盛有KOH溶液的水槽中，再分别插入铂电极。

切断电源开关S1，合闭开关S2，通直流电一段时间后，请回答下列问题：

⑴．标出电源的正、负极：

X为___极，Y为___极。

⑵．在滤纸的C端附近，观察到的现象是，在滤纸的D端附近，观察到的现象是。

⑶．写出电极反应式：

A中；B中；C中；D中。

⑷．若电解一段时间后，A、B中均有气体包围电极。

此时切断开关S2，闭合开关S1，则电流计的指针是否发生偏转（填“偏转”或“不偏转”）____。

⑸．若电流计指针偏转，写出有关的电极反应式（若指针“不偏转”，此题不必回答）：

A中；B中。

若电流计指针不偏转，请说明理由（若指针“偏转”，此题不必回答）。

10、按下图装置进行实验，并回答下列问题

⑴判断装置的名称：

A池为___________B池为______________

⑵锌极为__________极，电极反应式为_________________________

铜极为__________极，电极反应式为_________________________

石墨棒C1为______极，电极反应式为________________________

石墨棒C2附近发生的实验现象为_______________________________

⑶当C2极析出224mL气体（标准状态时，锌的质量变化（增加或减少）_________g.CuSO4溶液的质量变化了（增加或减少了）_________g

11．⑴锂电池一种是常用的电池（锂是一种碱金属元素，其相对原子质量为7），由于它的比容量（单位质量电极材料所能转换的电量）特别大而广泛应用于心脏起博器，一般使用时间可长达10年。

它的负极用金属锂制成，电池总反应可表示为：

Li＋MnO2→LiMnO2 

试回答：

①锂电池比容量特别大的原因是_______________________________________

②锂电池中的电解质溶液需用非水溶剂配制，为什么这种电池不能使用电解质的水溶液？

请用化学方程式表示其原因________________________________________

⑵最近，又有科学家制造出一种固体电解质的燃料电池，其效率更高。

一个电极通入空气，另一电极通入汽油蒸气。

其中固体电解质是掺杂了Y2O3（Y：

钇）的ZrO2（Zr：

锆）固体，它在高温下能传导O2－离子（其中氧化反应发生完全）。

以丁烷（C4H10）代表汽油。

①电池的正极反应式为_________________________________________________。

②放电时固体电解质里的O2－离子的移动方向是向__________极移动（填正或负）。

12．依据氧化还原反应：

2Ag＋（aq）＋Cu（s）=Cu2＋（aq）＋2Ag（s）设计的原电池如图所示。

请回答下列问题：

⑴电极X的材料是________；电解质溶液Y是___________；

⑵银电极为电池的________极，发生的电极反应为_____________________________；

X电极上发生的电极反应为_____________________________________________；

⑶外电路中的电子是从_______电极流向________电极。

回顾与总结

1、怎样应用原电池知识来判断常见金属