第四章电化学.docx

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第四章电化学

第四章电化学

一、原电池原理

1．原电池的概念和实质

（1）概念：

将                    转化为             的装置。

（2）实质：

利用能自发进行的                       反应把化学能转化为电能。

2．原电池工作原理（以锌铜原电池为例）

装置示意图

现象

锌片逐渐_______，铜片上有________析出，电流计指针_____

电极

Zn电极

Cu电极

电极名称

______极

______极

得失电子

______电子

______电子

电极

反应式

Zn－2e－===Zn2＋

Cu2＋＋2e－===Cu

反应类型

__________反应

________反应

总反应式

Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋

电子流向

由_____极沿导线流向______极

3.盐桥

（1）成分：

KCl饱和溶液。

（2）离子移动方向：

Cl－移向                  溶液；K＋移向                溶液。

（3）作用

a．使两个半电池溶液连成一个通路。

b．使两溶液保持                 。

（4）取出盐桥，通路被切断，电流计指针回到         点。

二、原电池的设计

1．依据

理论上，能自发进行的                                 均能设计成原电池。

2．实际设计时应注意以下几个方面

（1）外电路：

负极（              的物质）

正极（                   ）

（2）内电路：

将两极浸入                   溶液中，并通过                  离子的定向运动而形成内电路。

（3）闭合回路

三．原电池正负极的判断方法

负极

正极

电极材料

较____的金属

较______金属或非金属

电子流向

电子流_____的一极

电子流_____的一极

离子移动方向

____离子移向的一极

_____离子移向的一极

反应类型

发生______反应的一极

发生还原反应的一极

电极质量变化

电极质量_____的一极

电极质量_____的一极

气体产生

产生气体的一极（通常为H2）

pH变化

pH增大的一极（析氢或吸氧的电极中）

【特别提示】　根据电极材料的活泼性来判断正负极，要注意电解质溶液对原电池正负极的影响。

例如，①Mg、Al、NaOH溶液构成的原电池，Al为负极；②Fe（或Al）、Cu、浓HNO3构成的原电池，Cu为负极。

例。

有如图所示的两个原电池装置，下列说法不正确的是（　　）

A．A池中负极的电极反应为Mg－2e－===Mg2＋

B．Mg在A池中为负极，在B池中为正极

C．B池中电子的流向：

Mg→Al

D．原电池工作一段时间后，A池溶液的pH会增大

四．原电池原理的应用

1.加快_____________反应的速率

例如实验室用锌与稀H2SO4反应制H2，用粗锌时产生H2的速率会更快；在稀H2SO4中加入少量CuSO4溶液，同样也会加快产生H2的速率。

前者形成的原电池是锌稀H2SO4杂质金属，后者形成的原电池是锌稀H2SO4铜（铜单质是锌与Cu2＋反应生成的）。

2．比较____________活动性强弱

例如：

有两种金属a和b，用导线连接后插入到稀H2SO4中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生。

根据电极现象判断出a是负极，b是正极，由原电池原理可知，金属活动性a＞b。

3．设计______________

构成原电池的基本条件，也是进行原电池设计的基本依据。

（1）根据电池反应写出电极反应式。

（2）电极材料的选择：

电池的电极必须导电。

一般电池中的负极必须能够与电解质溶液反应，容易失去电子，因此负极一般是活泼的金属材料。

正极和负极之间只有产生电势差，电子才能定向移动，所以正极和负极不能用同一种材料。

两个电极的构成分为四种情况：

①活动性不同的两种金属。

例如，铜锌原电池中，锌板作电池的负极，铜板作电池的正极。

②金属和非金属。

例如，锌锰干电池中，锌片作电池的负极，石墨棒作电池的正极。

③金属和化合物。

例如，铅蓄电池中，铅板作电池的负极，二氧化铅作电池的正极。

④惰性电极。

例如，氢氧燃料电池中，两电极均可用Pt。

（3）电解质溶液的选择：

电解质溶液是为负极提供放电的物质，因此电解质溶液一般要能够与负极发生反应。

但若是两个半反应分别在两个烧杯中进行，则负极中的电解质溶液应有与电极材料相同的阳离子。

例如：

在锌、铜和稀硫酸构成的原电池中，锌极应置于ZnSO4、ZnCl2、Zn（NO3）2等溶液中；正极材料置于稀硫酸中，稀硫酸还可以换成盐酸。

（4）形成闭合回路。

五．化学电源

一、）化学电池

1．化学电池是将                  变成             的装置。

2．判断电池优劣的主要标准

（1）比能量：

即单位质量或单位体积所能                     的多少，单位（W·h）/kg或（W·h）/L。

（2）比功率：

即单位质量或单位体积所能                        的多少，单位W/kg或W/L。

（3）电池的                       的长短。

二、）一次电池

一次电池的电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做                 。

活性物质消耗到一定程度，就不能使用了。

1．碱性锌锰电池

（1）基本构造：

负极：

         ，正极：

                 ，电解质是：

                。

（2）工作原理

负极：

_______________________；正极：

________________________；

总反应：

___________________________。

2．锌银电池

（1）基本构造：

负极：

         ，正极：

               ，电解质：

              。

（2）工作原理：

负极：

___________________；正极：

_____________________；

总反应：

____________________。

3．锂电池

（1）电极材料

负极：

        ；正极：

               、CuO、FeS2等。

（2）特点

                    、                、工作温度宽，可储存时间长。

三、）二次电池

二次电池放电后可以再充电使活性物质获得再生，又称               电池或        电池。

1．铅蓄电池的构造

负极：

        ，正极：

                ，电解质溶液：

                溶液。

2．工作原理

（1）放电时

负极：

_______________________；正极：

_______________________；

总反应：

______________________。

放电后，H2SO4浓度_____，pH_____。

（2）充电时

铅蓄电池的充电反应是放电反应的逆过程。

阴极：

____________________；阳极：

_______________________；

总反应：

_______________________。

充电后，H2SO4浓度____，pH值____。

上述充放电反应可写成一个可逆反应方程式：

Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）

2PbSO4（s）＋2H2O（l）

四）、燃料电池

1．燃料电池的工作原理

（1）连续地将              和                   的化学能直接转换成电能。

（2）电极材料本身不参加氧化还原反应，只是一个催化转化元件。

（3）工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排除。

2．氢氧燃料电池

（1）构造：

以H2为燃料，O2为氧化剂，铂作电极，使用酸性电解质。

在负极室通入        ，在正极室通入        。

（2）工作原理：

负极：

__________________；正极：

______________________；

总反应：

H2＋

O2＝H2O。

3．燃料电池的优点

（1）能量转化率_____；

（2）污染____。

五）、废旧电池的处理

废弃电池中含有  金属和       等有害物质，随意丢弃，对       环境和           危害极大，应回收利用。

六）．电极反应式的书写

1.根据给出的两个电极反应式写总反应式

书写时注意使两个电极反应式得失电子数相等后相加两式，消去反应物和生成物中相同的物质即可。

注意：

若反应式同侧出现不共存的离子，如H＋和OH－、Pb2＋和SO

，要写成反应后的物质，如H2O和PbSO4。

2．根据装置书写电极反应式

（1）先分析题目给定的图示装置，确定原电池的正负极上的反应物质。

（2）电极反应式的书写

①负极：

活泼金属或H2失去电子生成阳离子；若电解质溶液中的阴离子与生成的阳离子不共存，则该阴离子应写入负极反应式。

如铅蓄电池，负极：

Pb＋SO

－2e－===PbSO4。

②正极：

阳离子得到电子生成单质或O2得到电子，若反应物是O2，则有以下规律：

电解质是碱性或中性：

__________________电解质是酸性：

___________________

（3）正负电极反应式相加得到电池反应的总反应方程式。

3．给出总反应式，写电极反应式

（1）根据给出的化学方程式或根据题意，确定原电池的正负极，弄清正、负极上发生反应的物质。

还原剂作负极或在负极上反应，氧化剂在正极上反应。

如将：

2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2设计成原电池时电极反应式的写法。

①写出总反应的离子方程式：

__________________________。

②用双线桥把总反应分成氧化反应和还原反应两部分：

③氧化反应在负极发生，还原反应在正极发生：

负极：

_____________________，正极：

______________________。

（2）弱电解质、气体或难溶物均以分子表示，其余以离子符号表示。

（3）注意电解质溶液的成分，对正极、负极反应产物的影响，正、负极产物可根据题意或据化学方程式确定。

碱性介质的电极反应中不能出现H＋，酸性介质的电极反应中不能出现OH－，如：

氢氧燃料电池

①碱溶液作电解质溶液时，电极反应为

正极：

__________________________负极：

___________________________

②酸溶液作电解质溶液，则电极反应为：

正极：

____________________________负极：

____________________________

③高温下固体熔融盐作电解质时，也可能：

正极：

______________________________负极：

____________________________

（4）写电极反应式时要保证电荷守恒、元素守恒，可在电极反应式一端根据需要添加H＋或OH－或H2O。

例。

固体氧化物燃料电池是由美国西屋公司研制开发的，它以固体氧化锆氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子（O2－）在其间通过。

该电池的工作原理如图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。

下列判断正确的是（　　）

A．有O2放电的a极为电池的负极

B．有H2放电的b极为电池的正极

C．a极对应的电极反应：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

D．该电池的总反应：

2H2＋O2

2H2O

六．电解池

一）、电解原理

1．电解

使电流通过而在两个电极上引起

的过程。

2．电解池

（1）定义：

将转化为的装置。

（2）构成

①。

②溶液或熔融。

③两个电极

阴极：

与电源相连的电极，发生反应；

阳极：

与电源相连的电极，发生反应。

④形成。

（3）装置

（4）电极反应式

阴极

Cu2＋＋2e－===Cu，发生反应

阳极

2Cl－－2e－===Cl2，发生反应

总反应

Cu2＋＋2Cl－

Cu＋Cl2↑

（5）电子流向

电源

电解池，电解池

原电池。

（6）离子移动方向，

阴离子（OH－、Cl－）―→阳极，阳离子（Cu2＋、H＋）―→阴极。

二）电极产物的判断

1.阳极产物的判断

阴离子放电顺序：

即：

活性阳极（金属）>无氧酸根离子>OH－>含氧酸根离子。

在溶液中只考虑此部分

2．阴极产物的判断

与电极材料无关，直接根据阳离子放电顺序进行判断。

阳离子放电顺序：

【特别提示】　在溶液中含氧酸根离子不放电，常指最高价（中心原子）含氧酸根不放电，但非最高价（中心原子）含氧酸根的放电能力比OH－的强，如SO

、MnO

等。

三）电解离子方程式的书写

1.必须在短线上标明通电或电解。

2．只是电解质被分解，电解化学方程式中只写电解质及分解产物。

如：

电解CuCl2溶液：

Cu2＋＋2Cl－

Cu＋Cl2↑

3．只有水被分解，只写水分解即可。

如：

2H2O

2H2↑＋O2↑

4．电解质、水同时被分解，则都要写进方程式，凡是水电离的H＋或OH－放电时，在写电解的离子方程式时必须写水（弱电解质）如：

电解饱和食盐水：

_______________

____________

5．书写步骤

（1）判断阴、阳极，并分析电极材料的性质，尤其是阳极材料。

（2）分析电解质溶液中的离子类别，明确离子的来源及放电顺序。

（3）写出阴、阳极的电极反应式。

（4）根据电子得失守恒及原子守恒写出电解的总反应。

例.从SO

、Cl－、H＋、Cu2＋中选出合适的离子组成电解质，采用碳棒作电极对其水溶液进行电解：

（1）若使电解质含量减少但水量不变，可采用的电解质是________（写化学式或反应式，下同）。

（2）若使电解质和水量都减小，可采用的电解质是________，其阳极的电极反应为：

_________________________________，

其总反应方程式为：

________________________________

（3）若两极分别放出H2和O2，可采用的电解质是____________。

（4）若使两极分别放出气体，且体积比为1∶1，可采用的电解质是________，其阴极电极反应为___________________________。

七电解原理的应用

一）、氯碱工业

1．实验探究

在U形管中放入饱和食盐水，并在两极滴入酚酞试液，用惰性电极通电电解一段时间：

（1）在阳极比易电子，电极产物是，可用检验；

在阴极比易电子，电极产物是。

（2）极附近溶液变红色，原因是（从水的电离平衡解释），使浓度逐渐增大。

2．电极反应式

阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑，发生反应；

阴极：

2H＋＋2e－===H2↑，发生发生。

3．总反应的化学方程式：

2NaCl＋2H2O

2NaOH＋Cl2↑＋H2↑。

离子方程式：

2Cl－＋2H2O

Cl2↑＋H2↑＋2OH－。

二）、电镀

电镀是应用原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的方法。

1．电镀池的构成

（1）阳极材料：

金属；

（2）阴极材料：

金属；

（3）电镀液：

含金属离子的溶液；

（4）外加电源：

直流电源。

2．电镀目的：

使金属增强能力，增加和。

3．实例：

在金属铁上镀铜

（1）铁接电源的极作极，

电极反应：

Cu2＋＋2e－===Cu。

（2）铜接电源的极作极，电极反应

Cu－2e－===Cu2＋。

（3）可选用溶液作电镀液。

三）、电解精炼铜

1．粗铜（含Fe、Zn、Ag、Au等杂质）

作极，主要反应有：

____________；__________________;_____________________.

2．精铜作极：

电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu。

3．可选用溶液作电解液。

4．特点：

阳极粗铜中的铜（以及比铜活泼的锌、铁、镍等）被氧化，阴极被还原；其他留在溶液中，而比铜活泼性弱的等金属沉积在阳极下面，形成阳极泥。

电解液的浓度会逐渐。

四）、电冶金

1．金属冶炼：

金属冶炼就是使矿石中的金属离子电子，从它们的化合物中还原出来，其实质可表示为：

Mn＋＋ne－===M。

2．电冶金

（1）电解熔融的氯化钠

阳极反应：

________________；阴极反应：

_________________；

总反应：

2NaCl（熔融）

2Na＋Cl2↑。

（2）电解熔融的氧化铝冶炼金属铝

阴极反应：

___________________；阳极反应：

_____________________；

总反应：

_______________________。

五）．电解计算

1.有关电解的计算通常是求电解后产物的质量、气体的体积，某元素的化合价以及溶液的pH、物质的量浓度等。

2．解答此类题的依据是根据电解方程式或电极反应式，应用阴、阳两极得失电子守恒进行有关的计算。

也可利用物质的量的相当量关系（常由电子得失守恒得出）求解，如H2～Cl2～

O2～Cu～2Ag～2H＋～2OH－。

特别提示　

（1）对阴极放H2生碱型，电路中每通过1mol电子，溶液中就生成1molOH－，对阳极放O2生酸型，电路中每通过1mol电子，阳极溶液就生成1molH＋。

例1、用两支惰性电极插入500mLAgNO3溶液中，通电电解。

当电解液的pH从6.0变为3.0时（设电解时阴极没有氢气析出，且电解液在电解前后体积变化可以忽略），电极上析出银的质量大约是（　　）

A．27mg　　　　　　　　B．54mg

C．108mgD．216mg

2．在100mLH2SO4和CuSO4的混合溶液中，用石墨作电极电解，两极均收集到2.24L气体（标准状况下），则原混合溶液中Cu2＋的物质的量浓度为（　　）

A．1mol·L－1B．2mol·L－1

C．3mol·L－1D．4mol·L－1

3.某学生为达到制取并较长时间保存Fe（OH）2的目的，设计如下两个实验装置：

（1）欲使试管B中产生Fe（OH）2白色沉淀，则试管A中加入的药品是（　　）

A．FeO和稀硫酸B．铁锈和稀硫酸

C．铁粉和稀硫酸D．铁粉和稀硝酸

（2）在试管A中加入药品后，应继续进行的操作是____________。

（3）使用装置①进行实验，试管B中的空气不易排尽，其原因是____________________。

（4）装置②是电解池，欲在烧杯内产生Fe（OH）2白色沉淀，则阳极材料应是（　　）

A．石墨B．铁

C．铜D．铂

（5）装置②中的电解质溶液可以选用（　　）

A．NaCl溶液B．Na2SO4溶液

C．FeCl3溶液D．稀硫酸

（6）装置②中发生反应的化学方程式是________________。

（7）装置②中苯的作用是_________________________________

　八．金属的电化学腐蚀与防护

一）、金属的电化学腐蚀

1．金属腐蚀

（1）概念：

金属或合金与周围的气体或液体物质发生反应而引起损耗的现象。

（2）实质：

金属腐蚀的本质是金属原子电子，发生反应。

（3）分类：

一般有化学腐蚀和电化学腐蚀两种，其中腐蚀是金属腐蚀的主要原因。

2．化学腐蚀

金属跟接触到的（如O2、Cl2、SO3等）或

液体等直接发生化学反应而引起的腐蚀，化学腐蚀的速度随温度升高而。

3．电化学腐蚀

（1）概念：

不纯的金属跟溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属电子而被。

（2）实质：

在潮湿的空气里，钢铁的表面形成了一层电解质溶液的薄膜，它跟钢铁里的铁和少量的碳恰好构成了原电池。

其中，Fe是极，碳是极。

（3）析氢腐蚀和吸氧腐蚀

①析氢腐蚀：

金属表面的电解质溶液性较强，腐蚀过程中有放出。

负极反应：

_________；

正极反应：

________________。

总反应：

_____________________

②吸氧腐蚀：

钢铁表面吸附的水膜或呈性时，参加电极反应，发生吸氧腐蚀。

电极反应如下：

图

（2）

负极：

；正极：

；

总反应：

。

生成的Fe（OH）2继续与空气中的O2作用，生成Fe（OH）3，反应如下：

___________

Fe（OH）3脱去一部分水生成Fe2O3·xH2O，即铁锈的主要成分，铁锈疏松地覆盖在钢铁表面，不能阻止钢铁腐蚀。

特别提示　金属的电化学腐蚀主要是吸氧腐蚀。

4．钢铁生锈原理的实验探究

（1）实验目的：

。

（2）实验步骤：

将经过酸洗除锈的铁钉，用饱和食盐水浸泡一下，放入如图

（2）所示的具支试管中。

几分钟后，观察导管中水柱的变化。

二）金属腐蚀快慢的判断以及金属的防护

1.金属腐蚀快慢的判断方法

（1）在同一电解质溶液中：

电解池原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀。

（2）同一种金属在相同浓度不同介质中腐蚀由快到慢的顺序为：

强电解质溶液>弱电解质溶液>非电解质溶液。

（3）有无保护措施的腐蚀快慢顺序：

无保护措施的金属腐蚀>有一定保护措施的金属腐蚀>牺牲阳极的阴极保护法引起的金属腐蚀>有外加电流的阴极保护法引起的金属腐蚀。

（4）对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，腐蚀越快。

2．金属的防护方法

（1）改变金属的内部结构

例如：

把铬、镍等加入普通钢里制成的不锈钢，就大大地增加了钢铁对各种腐蚀的抵抗力。

（2）在金属表面覆盖保护层

在金属表面覆盖致密的保护层，从而使金属制品跟周围物质隔离开来，覆盖保护层的方法有以下几种：

①在表面涂抹油脂、油漆等。

②用电镀、热镀、喷镀的方法，在金属表面镀上一层不易被腐蚀的金属，如在钢铁表面镀锌、锡、铬、镍等。

③用化学方法使金属表面生成一层致密而稳定的氧化膜。

例如，工业上常借一些溶液的氧化作用，在机器零件、精密仪器、枪炮等钢铁制件的表面上形成一层致密的黑色的四氧化三铁薄膜。

（3）电化学保护法

①牺牲阳极的阴极保护法

将还原性较强的金属作为保护极与被保护金属相连构成原电池，还原性较强的金属将作为负极发生氧化反应而被损耗，被保护金属作为正极就可以避免被腐蚀。

这种保护法牺牲了阳极保护了阴极。

如

②外加电流的阴极保护法

将被保护金属与外加直流电源的负极相连让其成为阴极，而将外加直流电源的正极接到惰性电极上，让其成为阳极。

章末检测

一、单项选择题（16×3分＝48分）

1．下列图示中关于铜电极的连接错误的是（　　）

2．在理论上不能用于设计成原电池的化学反应是（　　）

A．4Fe（OH）2（s）＋2H2O（l）＋O2（g）===4Fe（OH）3（s）　ΔH<0

B．CH3CH2OH（l）＋3O2（g）===2CO2（g）＋3H2O（l）　ΔH<0

C．Al（OH）3（s）＋NaOH（aq）===NaAlO2（aq）＋2H2O①　ΔH<0

D．H2（g）＋Cl2（g）=