高中化学选修4原电池与电解池讲义及习题含答案汇编.docx

1、高中化学选修4原电池与电解池讲义及习题含答案汇编个性化辅导讲义讲义编号学员编号： 年 级：高二 课时数： 学员姓名： 辅导科目：化学 学科教师： 授课课题电化学基础-原电池、电解池 授课时间及时段 年 月 日 星期 时段： 教学目标1.理解原电池的工作原理，了解组成原电池的条件2.掌握电极反应和原电池总反应方程式的书写3.认识化学能与电能的相互转化教学内容与过程1原电池和电解池的比较：装置原电池电解池实例原理使氧化还原反应中电子作定向移动，从而形成电流。这种把化学能转变为电能的装置叫做原电池。使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程叫做电解。这种把电能转变为化学能的装置叫做电解

2、池。形成条件电极：两种不同的导体相连；电解质溶液：能与电极反应。能自发的发生氧化还原反应形成闭合回路电源；电极（惰性或非惰性）；电解质（水溶液或熔化态）。反应类型自发的氧化还原反应非自发的氧化还原反应电极名称由电极本身性质决定：正极：材料性质较不活泼的电极；负极：材料性质较活泼的电极。由外电源决定：阳极：连电源的正极；阴极：连电源的负极；电极反应负极：Zn-2e-=Zn2+ （氧化反应）正极：2H+2e-=H2（还原反应）阴极：Cu2+ +2e- = Cu （还原反应）阳极：2Cl-2e-=Cl2 （氧化反应）电子流向负极正极电源负极阴极；阳极电源正极电流方向正极负极电源正极阳极；阴极电源负极

3、能量转化化学能电能电能化学能应用抗金属的电化腐蚀；实用电池。电解食盐水（氯碱工业）；电镀（镀铜）；电冶（冶炼Na、Mg、Al）；精炼（精铜）。2.原电池正负极的判断：根据电极材料判断：活泼性较强的金属为负极，活泼性较弱的或者非金属为正极。根据电子或者电流的流动方向：电子流向：负极正极。电流方向：正极负极。根据电极变化判断：氧化反应负极； 还原反应正极。根据现象判断：电极溶解负极； 电极重量增加或者有气泡生成正极。根据电解液内离子移动的方向判断：阴离子移向负极；阳离子移向正极。3.电极反应式的书写：负极：负极材料本身被氧化： 如果负极金属生成的阳离子与电解液成分不反应，则为最简单的：M-ne-=

4、Mn+ 如：Zn-2e-=Zn2+如果阳离子与电解液成分反应，则参与反应的部分要写入电极反应式中：如铅蓄电池，Pb+SO42-2e-=PbSO4负极材料本身不反应：要将失电子的部分和电解液都写入电极反应式，如燃料电池CH4-O2(C作电极)电解液为KOH：负极：CH4+10OH-8 e-=C032-+7H2O 正极：当负极材料能自发的与电解液反应时，正极则是电解质溶液中的微粒的反应，H2SO4电解质，如2H+2e-=H2 CuSO4电解质： Cu2+2e-= Cu当负极材料不与电解质溶液自发反应时，正极则是电解质中的O2发生还原反应当电解液为中性或者碱性时，H2O参加反应，且产物必为OH-,

5、如氢氧燃料电池（KOH电解质）O2+2H2O+4e-=4OH-当电解液为酸性时，H+参加反应，产物为H2O O2+4H+4e-=2H2O4化学电源新型电池一、一次电池 1、定义：一次电池的活性物质（发生氧化还原反应的物质）消耗到一定程度，就不能使用了一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫干电池常用的有普通的锌锰干电池、碱性锌锰电池、锌汞电池、镁锰干电池等2、常见的一次电池：（1）普通锌锰干电池锌锰干电池是最常见的化学电源，分酸性碱性两种干电池的外壳（锌）是负极，中间的碳棒是正极，在碳棒的周围是细密的石墨和去极化剂MnO2的混合物，在混合物周围再装入以NH4Cl溶液浸润ZnCl2，NH4Cl

6、和淀粉或其他填充物（制成糊状物）为了避免水的蒸发，干电池用蜡封好干电池在使用时的电极反应为：负极：Zn2e=Zn2+正极：2NH4+2e+2MnO2=2NH3 +Mn2O3+H2O总反应：Zn+2MnO2+2NH4+=Mn2O3+2NH3+Zn2+H2O（2）碱性锌锰干电池负极：Zn+2OH2e=Zn（OH）2正极：2MnO2+2H2O+2e=2MnOOH+2OH总反应：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn（OH）2（3）锌银电池 电子手表、液晶显示的计算器或一个小型的助听器等所需电流是微安或毫安级的，它们所用的电池体积很小，有“纽扣”电池之称它们的电极材料是Ag2O和Zn，所以叫锌

7、银电池电极反应和电池反应是：负极：Zn+2OH2e=Zn（OH）2正极：Ag2O+H2O+2e=2Ag+2OH总反应：Zn+Ag2O+H2O=Zn（OH）2+2Ag 利用上述化学反应也可以制作大电流的电池，它具有质量轻、体积小等优点这类电池已用于宇航、火箭、潜艇等方面（4）锂二氧化锰非水电解质电池 以锂为负极的非水电解质电池有几十种，其中性能最好、最有发展前途的是锂一二氧化锰非水电解质电池，锂-二氧化锰电池负极是金属锂，正极活性物质是二氧化锰。电解质是无机盐高氯酸锂（LiClO4），溶于碳酸丙烯酯（PC）和1、2-二甲氧基乙烷（DME）的混合有机溶剂中，电极反应为：负极反应：Lie=Li+正极

8、反应：MnO2 + Li+ +e= LiMnO2 总反应：Li+ MnO2 = LiMnO2该种电池的电动势为2.69V，重量轻、体积小、电压高、比能量大，充电1000次后仍能维持其能力的90%，贮存性能好，已广泛用于电子计算机、手机、无线电设备等 （5）铝空气海水电池1991年，我国首例以铝空气海水为材料组成的新型电池用作航海标志灯该电池以取之不尽的海水为电解质，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流 工作原理：负极：4Al12e = 4Al3+正极：3O2+6H2O+12 e =12OH总反应：4Al+3O2+6H2O = 4Al（OH）3 特点：这种海水电池的能量比“干电池”高2050倍（

9、6）高能电池锂电池 该电池是20世纪70年代研制出的一种高能电池由于锂的相对原子质量很小，所以比容量（单位质量电极材料所能转换的电量）特别大，使用寿命长，适用于动物体内（如心脏起搏器）因锂的化学性质很活泼，所以其电解质溶液应为非水溶剂如作心脏起搏器的锂碘电池的电极反应式为：负极：2Li2e = 2Li+ 正极：I2+2e = 2 I总反应式为：2Li+I2 = 2LiI 练习：（9分）锂锰电池的体积小、性能优良，是常用的一次电池。该电池反应原理如图所示，其中电解质LiCIO4。溶于混合有机溶剂中，Li+通过电解质迁移入MnO2晶格中，生成LiMnO2。回答下列问题：（1）外电路的电流方向是由_

10、极流向_极。（填字母）（2）电池正极反应式为 。（3）是否可用水代替电池中的混合有机溶剂？_（填“是”或“否”），原因是_。（4）MnO2可与KOH和KClO3，在高温下反应，生成K2MnO4，反应的化学方程式为_。K2MnO4在酸性溶液中歧化，生成KMnO4和MnO2的物质的量之比为_。二、二次电池1、定义：二次电池又称充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生这类电池可以多次重复使用2、常见的二次电池：（1）铅蓄电池是最常见的二次电池，它由两组栅状极板交替排列而成，正极板上覆盖有PbO2，负极板上覆盖有Pb，电解质是H2SO4铅蓄电池放电的电极反应如下：负极：Pb+SO422e=

11、PbSO4（氧化反应）正极：PbO2+SO42十4H+2e=PbSO4+2H2O（还原反应）总反应：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4十2H2O铅蓄电池充电的反应是上述反应的逆过程：阴极：PbSO4+2e=Pb+SO42（还原反应）阳极：PbSO4+2H2O2e=PbO2+SO42十4H+（氧化反应）总反应：2PbSO4十2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4可以把上述反应写成一个可逆反应方程式：Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4十2H2O练习：已知铅蓄电池的工作原理为PbPbO22H2SO42PbSO42H2O，现用如图装置进行电解(电解液足量)，测得当 铅蓄电池中转移0.4

12、mol电子时铁电极的质量减少11.2 g。请回答 下列问题。(1)A是铅蓄电池的 极，铅蓄电池正极反应式为，放电过程中电解液的密度(填“减小”、“增大”或“不变”)。(2)Ag电极的电极反应式是 ，该电极的电极产物共 g。(3)Cu电极的电极反应式是 ，CuSO4溶液的浓度(填“减小”、“增大”或“不变”)(4)如图表示电解进行过程中某个量(纵坐标x)随时间的变化曲线，则x表示。a各U形管中产生的气体的体积b各U形管中阳极质量的减少量c各U形管中阴极质量的增加量（2）碱性镍镉电池：该电池以Cd和NiO（OH）（氢氧化镍酰）作电极材料，NaOH作电解质溶液负极：Cd+2OH2e=Cd（OH）2正

13、极：2NiO（OH）+2H2O+2e=2Ni（OH）2+2OH总反应式为：Cd+2NiO（OH）+2H2O=Cd（OH）2+2Ni（OH）2充电时：阳极发生如下反应Ni(OH)2 e- + OH- = NiO(OH) + H2O阴极发生的反应：Cd(OH)2 + 2e-= Cd + 2OH-总反应为：2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 = 2NiO(OH)+ Cd+ 2 H2O从上述两种蓄电池的总反应式可看出，铅蓄电池在放电时除消耗电极材料外，同时还消耗电解质硫酸，使溶液中的自由移动的离子浓度减小，内阻增大，导电能力降低而镍镉电池在放电时只消耗水，电解质溶液中自由移动的离子浓度不会有明显变化

14、，内阻几乎不变，导电能力几乎没有变化练习：镉镍可充电电池在现代生活中有广泛应用，它的充、放电反应按下式进行：Cd+2NiOOH+ 2H2O Cd（OH）2+2Ni（OH）2，由此判断错误的是：（ ）A放电时，Cd作负极B放电时，NiO(OH)作负极C电解质溶液为碱性溶液D放电时，负极反应为Cd+2OH-2e-=Cd(OH)2（3）氢镍可充电池：该电池是近年来开发出来的一种新型可充电池，可连续充、放电500次，可以取代会产生镉污染的镍镉电池负极：H2+2OH2e=2H2O正极：2NiO（OH）+2H2O+2e=2Ni（OH）2+2OH总反应式为：H2+2NiO（OH）=2Ni（OH）2练习：氢镍

15、电池是近年开发出来的可充电电池，可以取代会产生隔污染的镉镍电池。氢镍电池的总反应式H2+NiO(OH)Ni(OH)2，根据此反应式判断，下列叙述中正确的是（ ）A电池放电时，电池负极周围溶液pH不断增大 B电池放电时，镍元素被氧化C电池充电时，氢元素被氧化 D电池放电时，H2是负极三、燃料电池 又称连续电池：一般以天然燃料或其它可燃物质如H2、CH4等作为负极反应物质，以O2作为正极反应物质而形成的燃料电池体积小、质量轻、功率大，是正在研究的新型电池之一（1）氢氧燃料电池主要用于航天领域，是一种高效低污染的新型电池，一般用金属铂（是一种惰性电极，并具有催化活性）或活性炭作电极，用40%的KOH

16、溶液作电解质溶液其电极反应式为：负极：2H2+4OH4e=4H2O正极：O2+2H2O+4e=4OH总反应式为：2H2+O2=2H2O（2）甲烷燃料电池用金属铂作电极，用KOH溶液作电解质溶液负极：CH4+10OH8e=CO3 2+7H2O正极：2O2+4H2O+8e=8OH总反应式为：CH4+2O2+2KOH =K2CO3+3H2O（3）甲醇燃料电池是最近摩托罗拉公司发明的一种由甲醇和氧气以及强碱作为电解质溶液的新型手机电池，电量是现有镍氢电池或锂电池的10倍负极：2CH4O+16OH12e=2CO3 2+12H2O正极：3O2+6H2O+12e=12OH总反应式为：2CH4O+3O2+4O

17、H=2CO3 2+6H2O（4）固体氧化物燃料电池该电池是美国西屋公司研制开发的，它以固体二氧化锆氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许O2在其间通过负极：2H2+2O2-4e=2H2O正极：O2+4e=2O2总反应式为：2H2+O2 =2H2O练习：固体氧化物燃料电池（SOFC）以固体氧化物作为电解质，O2-可以在其内部自由通过。其工作原理如图所示。下列关于固体燃料电池的有关说法正确的是 A电极b为电池负极，电极反应式为O2+4e-=2O2-B固体氧化物的作用是让电子在电池内通过C若H2作为燃料气，则接触面上发生的反应为H2+2OH-4e-=2H+H2OD若C2H4作为燃料气，则接触面上

18、发生的反应为C2H4+6O2-12e-=2CO2+2H2O（5）熔融盐燃料电池： 该电池用Li2CO3和的Na2CO3熔融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气为阴极助燃气，制得在6500C下工作的燃料电池熔融盐燃料电池具有高的发电效率负极：2CO+2CO3 24e=4CO2正极：O2+2CO2+4e=2CO3 2总反应式为：2CO+O2=2CO25化学腐蚀和电化腐蚀的区别化学腐蚀电化腐蚀一般条件金属直接和强氧化剂接触不纯金属，表面潮湿反应过程氧化还原反应，不形成原电池。因原电池反应而腐蚀有无电流无电流产生有电流产生反应速率电化腐蚀化学腐蚀结果使金属腐蚀使较活泼的金属腐蚀6.吸

19、氧腐蚀和析氢腐蚀的区别电化腐蚀类型吸氧腐蚀析氢腐蚀条件水膜酸性很弱或呈中性水膜酸性较强正极反应O2 + 4e- + 2H2O = 4OH-2H+ + 2e-=H2负极反应Fe 2e-=Fe2+Fe 2e-=Fe2+腐蚀作用是主要的腐蚀类型，具有广泛性发生在某些局部区域内7金属的防护改变金属的内部组织结构。合金钢中含有合金元素，使组织结构发生变化，耐腐蚀。如：不锈钢。在金属表面覆盖保护层。常见方式有：涂油脂、油漆或覆盖搪瓷、塑料等；使表面生成致密氧化膜；在表面镀一层有自我保护作用的另一种金属。电化学保护法外加电源的阴极保护法:接上外加直流电源构成电解池，被保护的金属作阴极。牺牲阳极的阴极保护法：

20、外加负极材料，构成原电池，被保护的金属作正极8电解池的阴阳极判断：由外电源决定：阳极：连电源的正极； 阴极：连电源的负极；根据电极反应: 氧化反应阳极 ；还原反应阴极根据阴阳离子移动方向：阴离子移向阳极；阳离子移向阴极，根据电子几点流方向：电子流向: 电源负极阴极；阳极电源正极 电流方向: 电源正极阳极；阴极电源负极9.电解时电极产物判断：阳极：如果电极为活泼电极，Ag以前的，则电极失电子，被氧化被溶解，Zn-2e-=Zn2+如果电极为惰性电极，C、Pt、Au、Ti等，则溶液中阴离子失电子，4OH- 4e-= 2H2O+ O2阴离子放电顺序S2- I- Br- Cl- OH- NO3- SO4

21、2- CO32- F-即：活性阳极（金属）无氧酸根离子 OH- 含氧酸根离子 F- 阴极：（阴极材料(金属或石墨)总是受到保护）根据电解质中阳离子活动顺序判断，阳离子得电子顺序即金属活动顺序表的反表，金属活泼性越强，则对应阳离子的放电能力越弱，既得电子能力越弱: K+ Ca2+ Na+ Mg2+ Al3+ Zn2+ Fe2+ Sn2+ Pb2+ (H+ ) Cu2+ Hg2+ Ag+10电解、电离和电镀的区别电解电离电镀条件受直流电作用受热或水分子作用受直流电作用实质阴阳离子定向移动，在两极发生氧化还原反应阴阳离子自由移动，无明显的化学变化用电解的方法在金属表面镀上一层金属或合金实例CuCl2

22、 CuCl2CuCl2=Cu2+2Cl阳极 Cu 2e- = Cu2+阴极 Cu2+2e- = Cu关系先电离后电解，电镀是电解的应用11电镀铜、精炼铜比较电镀铜精炼铜形成条件镀层金属作阳极，镀件作阴极，电镀液必须含有镀层金属的离子粗铜金属作阳极，精铜作阴极，CuSO4溶液作电解液电极反应阳极 Cu 2e- = Cu2+阴极 Cu2+2e- = Cu阳极：Zn - 2e- = Zn2+Cu - 2e- = Cu2+ 等阴极：Cu2+ + 2e- = Cu溶液变化电镀液的浓度不变溶液中溶质浓度减小12电解方程式的实例（用惰性电极电解）：电解质溶液阳极反应式阴极反应式总反应方程式（条件：电解）溶液

23、酸碱性变化CuCl22Cl-2e-=Cl2Cu2+ +2e-= CuCuCl2= Cu +Cl2HCl2Cl-2e-=Cl22H+2e-=H22HCl=H2+Cl2酸性减弱Na2SO44OH-4e-=2H2O+O22H+2e-=H22H2O=2H2+O2不变H2SO44OH-4e-=2H2O+O22H+2e-=H22H2O=2H2+O2消耗水，酸性增强NaOH4OH-4e-=2H2O+O22H+2e-=H22H2O=2H2+O2消耗水，碱性增强NaCl2Cl-2e-=Cl22H+2e-=H22NaCl+2H2O=H2+Cl2+2NaOHH+放电，碱性增强CuSO44OH-4e-=2H2O+O2

24、Cu2+ +2e-= Cu2CuSO4+2H2O=2Cu+ O2+2H2SO4OH放电,酸性增强13，以惰性电极电解电解质溶液的规律：电解水型：电解含氧酸，强碱，活泼金属的含氧酸盐，如稀H2SO4、NaOH溶液、Na2SO4溶液：阳极：4OH-4e-=2H2O+O2 阴极：2H+2e-=H2 总反应：2H2O 2H2 + O2，溶质不变，pH 分别减小、增大、不变。酸、碱、盐的加入增加了溶液导电性,从而加快电解速率（不是起催化作用）。电解电解质：无氧酸（HF除外）、不活泼金属的无氧酸盐，如CuCl2阳极：2Cl-2e-=Cl2 阴极：Cu2+ +2e-= Cu 总反应：CuCl2= Cu +C

25、l2放氢生成碱型：活泼金属的无氧酸盐（F化物除外）如NaCl阳极：2Cl-2e-=Cl2 阴极：2H+2e-=H2 总反应：2NaCl+2H2O=H2+Cl2+2NaOH公式：电解质+H2O碱+ H2+非金属放氧生酸型：不活泼金属的含氧酸盐，如CuSO4阳极：4OH-4e-=2H2O+O2 阴极：Cu2+ +2e-= Cu 总反应：2CuSO4+2H2O=2Cu+ O2+2H2SO4公式：电解质+H2O酸+ O2+金属电解NaCl溶液：2NaCl+2H2O H2+Cl2+2NaOH，溶质、溶剂均发生电解反应，pH增大8电解原理的应用A、电解饱和食盐水（氯碱工业）反应原理阳极： 2Cl- - 2

26、e-= Cl2精明的商家不失时机地打出“自己的饰品自己做”、“DIY(Do It Yourself)饰品、真我个性”的广告，推出“自制饰品”服务，吸引了不少喜欢标新立异、走在潮流前端的年轻女孩，成为上海的时尚消费市场。其市场现状特点具体表现为： 阴极： 2H+ + 2e-= H2情感性手工艺品。不少人把自制的手机挂坠作为礼物送给亲人朋友，不仅特别，还很有心思。每逢情人节、母亲节等节假日，顾客特别多。总反应：2NaCl+2H2O H2+Cl2+2NaOH2、你大部分的零用钱用于何处？设备 （阳离子交换膜电解槽）尽管售价不菲，但仍没挡住喜欢它的人来来往往。这里有营业员们向顾客们示范着制作各种风格迥

27、异的饰品，许多顾客也是学得不亦乐乎。在现场，有上班族在里面精挑细选成品，有细心的小女孩在仔细盘算着用料和价钱，准备自己制作的原料。可以想见，用本来稀奇的原料，加上别具匠心的制作，每一款成品都必是独一无二的。而这也许正是自己制造所能带来最大的快乐吧。组成：阳极Ti、阴极Fe据调查，大学生对此类消费的态度是：手工艺制品消费比“负债”消费更得人心。阳离子交换膜的作用：它只允许阳离子通过而阻止阴离子和气体通过。在现代文化影响下，当今大学生对新鲜事物是最为敏感的群体，他们最渴望为社会主流承认又最喜欢标新立异，他们追随时尚，同时也在制造时尚。“DIY自制饰品”已成为一种时尚的生活方式和态度。在“DIY自制

28、饰品”过程中实现自己的个性化追求，这在年轻的学生一代中尤为突出。“DIY自制饰品”的形式多种多样，对于动手能力强的学生来说更受欢迎。制烧碱生产过程 （离子交换膜法）食盐水的精制：粗盐（含泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42- 等）加入NaOH溶液加入BaCl2溶液加入Na2CO3溶液过滤加入盐酸加入离子交换剂(NaR)电解生产主要过程（见图20-1）：NaCl从阳极区加入，H2O从阴极区加入。阴极H+ 放电，破坏了水的电离平衡，使OH-浓度增大，OH-和Na+形成NaOH溶液。B、电解冶炼铝原料：（A）冰晶石：Na3AlF6 = 3Na+ AlF63- （B）氧化铝： 铝土矿 NaAlO2 Al(OH)3 Al2O3 原理： （2） 缺乏经营经验阳极 2O2 4e- =O2在上海， 随着轨道交通的发展，地铁商铺应运而生，并且在重要的商业圈已经形成一定的气候，投资经营地铁商铺逐渐成为一大热门。在人民广场地下“的美”购物中心，有一家DIY自制饰品店-“碧芝自制饰品店”。 阴极 Al3+ 3e- =Al总反应：4Al3+6O24Al+3O2成功秘诀：好市口个性经营 设备：电解槽（阳极C、阴极Fe） 因为阳极材料不断地与生成的氧气反应：C+O2 CO+CO2，故需定时补充。C、电镀：用电解的方法在金属表面镀