高中化学原电池和电解池.docx

1、高中化学原电池和电解池 高中化学原电池和电解池原电池和电解池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。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

2、；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）。 一 原电池； 原电池的形成条件原电池的工作原理原电池反应属于放热的氧化还原反应，但区别于一般的氧化还原反应的是，电子转移不是通过氧化剂和还原剂之间的有效碰撞完成的，而是还原剂在负极上失电子发生氧

3、化反应，电子通过外电路输送到正极上，氧化剂在正极上得电子发生还原反应，从而完成还原剂和氧化剂之间电子的转移。两极之间溶液中离子的定向移动和外部导线中电子的定向移动构成了闭合回路，使两个电极反应不断进行，发生有序的电子转移过程，产生电流，实现化学能向电能的转化。 从能量转化角度看，原电池是将化学能转化为电能的装置；从化学反应角度看，原电池的原理是氧化还原反应中的还原剂失去的电子经导线传递给氧化剂，使氧化还原反应分别在两个电极上进行。 原电池的构成条件有三个： （1）电极材料由两种金属活动性不同的金属或由金属与其他导电的材料（非金属或某些氧化物等）组成。 （2）两电极必须浸泡在电解质溶液中。 （3

4、）两电极之间有导线连接，形成闭合回路。 只要具备以上三个条件就可构成原电池。而化学电源因为要求可以提供持续而稳定的电流，所以除了必须具备原电池的三个构成条件之外，还要求有自发进行的氧化还原反应。也就是说，化学电源必须是原电池，但原电池不一定都能做化学电池。 形成前提：总反应为自发的氧化还原反应 电极的构成： a.活泼性不同的金属锌铜原电池，锌作负极，铜作正极；b.金属和非金属（非金属必须能导电）锌锰干电池，锌作负极，石墨作正极；c.金属与化合物铅蓄电池，铅板作负极，二氧化铅作正极；d.惰性电极氢氧燃料电池，电极均为铂。 电解液的选择：电解液一般要能与负极材料发生自发的氧化还原反应。 原电池正负

5、极判断： 负极发生氧化反应，失去电子；正极发生还原反应，得到电子。 电子由负极流向正极，电流由正极流向负极。 溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极 电极反应方程式的书写负极：活泼金属失电子，看阳离子能否在电解液中大量存在。如果金属阳离子不能与电解液中的离子共存，则进行进一步的反应。例：甲烷燃料电池中，电解液为KOH，负极甲烷失8个电子生成CO2和H2O，但CO2不能与OH-共存，要进一步反应生成碳酸根。 正极：当负极材料能与电解液直接反应时，溶液中的阳离子得电子。例：锌铜原电池中，电解液为HCl，正极H+得电子生成H2。当负极材料不能与电解液反应时，溶解在电解液中的O2得电子。如果电解液呈酸

6、性，O2+4e-+4H+=2H2O；如果电解液呈中性或碱性，O2+4e-+2H2O=4OH-。 特殊情况:Mg-Al-NaOH，Al作负极。负极：Al-3e-+4OH-=AlO2-+2H2O；正极：2H2O+2e-=H2+2OH- Cu-Al-HNO3，Cu作负极。 注意：Fe作负极时，氧化产物是Fe2+而不可能是Fe3+；肼（N2H4）和NH3的电池反应产物是H2O和N2 无论是总反应，还是电极反应，都必须满足电子守恒、电荷守恒、质量守恒。 pH变化规律 电极周围：消耗OH-(H+)，则电极周围溶液的pH减小（增大）；反应生成OH-(H+)，则电极周围溶液的pH增大（减小）。 溶液：若总反应

7、的结果是消耗OH-(H+)，则溶液的pH减小（增大）；若总反应的结果是生成OH-(H+)，则溶液的pH增大（减小）；若总反应消耗和生成OH-(H+)的物质的量相等，则溶液的pH由溶液的酸碱性决定，溶液呈碱性则pH增大，溶液呈酸性则pH减小，溶液呈中性则pH不变。 原电池表示方法原电池的组成用图示表达，未免过于麻烦。为书写简便，原电池的装置常用方便而科学的符号来表示。其写法习惯上遵循如下几点规定： 1. 一般把负极（如Zn棒与Zn2+离子溶液）写在电池符号表示式的左边，正极（如Cu棒与Cu2+离子溶液）写在电池符号表示式的右边。 2. 以化学式表示电池中各物质的组成，溶液要标上活度或浓度（mol

8、/L）,若为气体物质应注明其分压(Pa)，还应标明当时的温度。如不写出，则温度为298.15K,气体分压为101.325kPa,溶液浓度为1mol/L。 3. 以符号“”表示不同物相之间的接界，用“”表示盐桥。同一相中的不同物质之间用“,”隔开。 4. 非金属或气体不导电，因此非金属元素在不同氧化值时构成的氧化还原电对作半电池时，需外加惰性导体（如铂或石墨等）做电极导体。其中，惰性导体不参与电极反应，只起导电（输送或接送电子）的作用，故称为“惰性”电极。 按上述规定，CuZn原电池可用如下电池符号表示： （-）Zn(s)Zn2+ (C)Cu2+ (C) Cu(s) （+） 理论上,任何氧化还原

9、反应都可以设计成原电池，例如反应: Cl2+ 2I- 2Cl- +I2 此反应可分解为两个半电池反应： 负极：2I- I2+ 2e- （氧化反应） 正极：C2+2e- 2Cl-（还原反应） 该原电池的符号为： （-）Pt I2(s)I- (C)Cl- (C)C2(PCL2) Pt（+）二 两类原电池吸氧腐蚀吸氧腐蚀 金属在酸性很弱或中性溶液里，空气里的氧气溶解于金属表面水膜中而发生的电化腐蚀，叫吸氧腐蚀 例如钢铁在接近中性的潮湿的空气中腐蚀属于吸氧腐蚀，其电极反应如下： 负极（Fe）：2Fe - 4e = 2Fe2+ 正极（C）：2H2O + O2 + 4e = 4OH- 钢铁等金属的电化腐蚀

10、主要是吸氧腐蚀 吸氧腐蚀的必要条件 以氧的还原反应为阴极过程的腐蚀，称为氧还原腐蚀或吸氧腐蚀。发生吸氧腐蚀的必要条件是金属的电位比氧还原反应的电位低： 氧的阴极还原过程及其过电位 吸氧腐蚀的阴极去极化剂是溶液中溶解的氧。随着腐蚀的进行，氧不断消耗，只有来自空气中的氧进行补充。因此，氧从空气中进入溶液并迁移到阴极表面发生还原反应，这一过程包括一系列步骤。 （1） 氧穿过空气溶液界面进入溶液； （2） 在溶液对流作用下，氧迁移到阴极表面附近； （3） 在扩散层范围内，氧在浓度梯度作用下扩散到阴极表面； （4） 在阴极表面氧分子发生还原反应，也叫氧的离子化反应。 吸氧腐蚀的控制过程及特点 金属发生氧

11、去极化腐蚀时，多数情况下阳极过程发生金属活性溶解，腐蚀过程处于阴极控制之下。氧去极化腐蚀速度主要取决于溶解氧向电极表面的传递速度和氧在电极表面上的放电速度。因此，可粗略地将氧去极化腐蚀分为三种情况。 （1）如果腐蚀金属在溶液中的电位较高，腐蚀过程中氧的传递速度又很大，则金属腐蚀速度主要由氧在电极上的放电速度决定。 （2）如果腐蚀金属在溶液中的电位非常低，不论氧的传输速度大小，阴极过程将由氧去极化和氢离子去极化两个反应共同组成。 （3）如果腐蚀金属在溶液中的电位较低，处于活性溶解状态，而氧的传输速度又有限，则金属腐蚀速度由氧的极限扩散电流密度决定。 扩散控制的腐蚀过程中，由于腐蚀速度只决定于氧的

12、扩散速度，因而在一定范围内，腐蚀电流将不受阳极极化曲线的斜率和起始电位的影响。 扩散控制的腐蚀过程中，金属中不同的阴极性杂质或微阴极数量的增加，对腐蚀速度的增加只起很小的作用。 解题过程 影响吸氧腐蚀的因素 1. 溶解氧浓度的影响 2温度的影响 3盐浓度的影响4溶液搅拌和流速的影响 阴极控制原因 主要是活化极化： =2.3RT lgiC/i/nF 主要是浓差极化： =2.3RT/nFlg(1-iC/iL) 阴极反应产物 以氢气泡逸出，电极表面溶液得到 附加搅拌 产物OH只能靠扩散或迁移离开，无气泡逸出，得不到附加搅拌 析氢腐蚀在酸性较强的溶液中发生电化腐蚀时放出氢气，这种腐蚀叫做析氢腐蚀。在钢

13、铁制品中一般都含有碳。在潮湿空气中，钢铁表面会吸附水汽而形成一层薄薄的水膜。水膜中溶有二氧化碳后就变成一种电解质溶液，使水里的H+增多。是就构成无数个以铁为负极、碳为正极、酸性水膜为电解质溶液的微小原电池。这些原电池里发生的氧化还原反应是：负极（铁）：铁被氧化Fe-2e=Fe2+；正极（碳）：溶液中的H+被还原2H+2e=H2 这样就形成无数的微小原电池。最后氢气在碳的表面放出，铁被腐蚀，所以叫析氢腐蚀。 析氢腐蚀定义金属在酸性较强的溶液中发生电化腐蚀时放出氢气，这种腐蚀叫做析氢腐蚀。 析氢腐蚀与吸氧腐蚀的比较 比 较 项 目析氢腐蚀吸氧腐蚀去极化剂性质 带电氢离子，迁移速度和扩散能力都很大中

14、性氧分子，只能靠扩散和对流传输去极化剂浓度浓度大，酸性溶液中H+放电中性或碱性溶液中H2O作去极化剂 浓度不大，其溶解度通常随温度升高和盐浓度增大而减小常用原电池方程式1CuH2SO4Zn原电池 正极： 2H+ + 2e- H2 负极： Zn - 2e- Zn2+ 总反应式： Zn + 2H+ = Zn2+ + H2 2CuFeCl3C原电池 正极： 2Fe3+ + 2e- 2Fe2+ 负极： Cu - 2e- Cu2+ 总反应式： 2Fe3+ + Cu = 2Fe2+ + Cu2+ 3钢铁在潮湿的空气中发生吸氧腐蚀 正极：O2 + 2H2O + 4e- 4OH- 负极：2Fe - 4e- 2

15、Fe2+ 总反应式：2Fe + O2 + 2H2O = 2Fe（OH)2 4氢氧燃料电池（中性介质） 正极：O2 + 2H2O + 4e- 4OH- 负极：2H2 - 4e- 4H+ 总反应式：2H2 + O2 = 2H2O 5氢氧燃料电池（酸性介质） 正极：O2 + 4H+ + 4e- 2H2O 负极：2H2 - 4e- 4H+ 总反应式：2H2 + O2 = 2H2O 6氢氧燃料电池（碱性介质） 正极：O2 + 2H2O + 4e- 4OH- 负极：2H2 - 4e- + 4OH- 4H2O 总反应式：2H2 + O2 = 2H2O 7铅蓄电池（放电） 正极 (PbO2) ： PbO2 +

16、 2e- + SO42- + 4H+ PbSO4 + 2H2O 负极 (Pb) ：Pb- 2e-+ (SO4)2- PbSO4 总反应式： Pb+PbO2+4H+ 2(SO4)2- = 2PbSO4 + 2H2O 8AlNaOHMg原电池 正极：6H2O + 6e- 3H2 + 6OH- 负极：2Al - 6e- + 8OH- 2AlO2- + 4H2O 总反应式：2Al+2OH-+2H2O=2AlO2- + 3H2 9CH4燃料电池(碱性介质) 正极：2O2 + 4H2O + 8e- 8OH- 负极：CH4 -8e- + 10OH- (CO3)2- + 7H2O 总反应式：CH4 + 2O2

17、 + 2OH- = (CO3)2- + 3H2O 10熔融碳酸盐燃料电池 （Li2CO3和Na2CO3熔融盐作电解液，CO作燃料）： 正极：O2 + 2CO2 + 4e- 2(CO3)2- (持续补充CO2气体) 负极：2CO + 2(CO3)2- - 4e- 4CO2 总反应式：2CO + O2 = 2CO2 11银锌纽扣电池(碱性介质) 正极 (Ag2O) ：Ag2O + H2O + 2e- 2Ag + 2OH- 负极 (Zn) ：Zn + 2OH- -2e- ZnO + H2O 总反应式：Zn + Ag2O = ZnO + 2Ag常见的原电池常用原电池有锌锰干电池、锌汞电池、锌银扣式电池

18、及锂电池等。 1 锌锰干电池：锌锰电池具有原材料来源丰富、工艺简单，价格便宜、使用方便等优点，成为人们使用最多、最广泛的电池品种。锌锰电池以锌为负极，以二氧化锰为正极。按照基本结构，锌锰电池可制成圆筒形、扣式和扁形，扁形电池不能单个使用，可组合叠层电池（组）。按照所用电解液的差别将锌锰电池分为三个类型： (1)铵型锌锰电池：电解质以氯化铵为主，含少量氯化锌。 电池符号:(-) ZnNH4ClZnCl2MnO2 (+) 总电池反应： Zn+2NH4Cl+2MnO2=Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH) (2) 锌型锌锰电池：又称高功率锌锰电池，电解质为氯化锌，具有防漏性能好，能大功率放电及能

19、量密度较高等优点，是锌锰电池的第二代产品，20世纪70年代初首先由德国推出。与铵型电池相比锌型电池长时间放电不产生水，因此电池不易漏液。 电池符号：(-) ZnZnCl2MnO2 (+) 总电池反应（长时间放电）： Zn+2Zn(OH)Cl+6MnO(OH)=ZnCl22ZnO4H2O+2Mn3O4 (3) 碱性锌锰电池：这是锌锰电池的第三代产品，具有大功率放电性能好、能量密度高和低温性能好等优点。 电池符号：(-) ZnKOHMnO2 (+) 总电池反应： Zn+2H2O+2MnO2=2MnO(OH)+Zn(OH)2 锌锰电池额定开路电压为1.5V，实际开路电压1.51.8V ，其工作电压与

20、放电负荷有关，负荷越重或放电电阻越小，闭路电压越低。用于手电筒照明时，典型终止电压为0.9V，某些收音机允许电压降至0.75V。 2锂原电池：又称锂电池，是以金属锂为负极的电池总称。锂的电极电势最负相对分子质量最小，导电性良好，可制成一系列贮存寿命长，工作温度范围宽的高能电池。根据电解液和正极物质的物理状态，锂电池有三种不同的类型，即：固体正极有机电解质电池、液体正极液体电解质电池、固体正极固体电解质电池。Li(CF)n的开路电压为3.3V，比能量为480WhL-1，工作温度在-5570间，在20下可贮存10年之久！它们都是近年来研制的新产品，目前主要用于军事、空间技术等特殊领域，在心脏起搏器

21、等微、小功率场合也有应用。 二 电解池 电解原理1、电解和电解池：使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极上引起氧化还原反应的过程叫做电解。把电能转变为化学能的装置叫做电解池或电解槽。CuCl2 CuCl22、电解池的组成：有两个电极插入电解质溶液（或熔融状态的电解质）中。两极连外接直流电源。3、离子的放电顺序：阴离子失去电子而阳离子得到电子的过程叫放电。电解电解质溶液时，在阴阳两极上首先发生放电反应的离子分别是溶液里最容易放电的阳离子和最容易放电的阴离子。（1）阳极：（还原性强的先放电）惰性电极（Pt、Au、石墨、钛等）时：S2IBrClOH（水）NO3SO42F活性电极时：电极本身溶解放电。（2

22、）阴极：（氧化性强的先放电）无论是惰性电极还是活性电极都不参与电极反应，发生反应的是溶液中的阳离子。阳离子在阴极上的放电顺序是：Ag+Hg2+Cu2+H+（水）Pb2+Fe2+ Na+Ca 2+ K+ 4、电解规律：（惰性电极）（1）电解电解质：阳离子和阴离子放电能力均强于水电离出H+和OH 。如无氧酸和不活泼金属的无氧酸盐。HCl（aq）阳极（ClOH）2Cl2eCl2阴极（H） 2H2eH2总方程式2HClH2Cl2CuCl2（aq）阳极（ClOH）2Cl2eCl2阴极（Cu2H）Cu22eCu总方程式CuCl2CuCl2（2）电解水：阳离子和阴离子放电能力均弱于水电离出H+和OH 。如含

23、氧酸、强碱、活泼金属的含氧酸盐。H2SO4（aq）阳极（SO42OH 4OH4e2H2OO2阴极（H）2H2eH2总方程式2H2O2H2O2NaOH（aq）阳极（OH）4OH4e2H2OO2阴极：（NaH2H2eH2总方程式2H2O2H2O2Na2SO4（aq）阳极（SO42OH4OH4e2H2OO2阴极：（NaH2H2eH2总方程式2H2O2H2O2（3）电解水和电解质：阳离子放电能力强于水电离出H+，阴离子放电能力弱于水电离出OH，如活泼金属的无氧酸盐；阳离子放电能力弱于水电离出H+，阴离子放电能力强于水电离出OH ，如不活泼金属的含氧酸盐。NaCl（aq）阳极（ClOH）2Cl2eCl2

24、阴极：（NaH2H2eH2总方程式2NaCl2H2O2NaOHH2Cl2CuSO4（aq）阳极（SO42OH4OH4e2H2OO2阴极（Cu2H）Cu22eCu总方程式 2CuSO42H2O2Cu2H2SO4O2【归纳总结】（1）电解的四种类型（惰性电极）：（2）电解质溶液浓度复原：加入物质与电解产物的反应必须符合电解方程式生成物的化学计量数。（3）电解时pH的变化：电极区域：阴极H+放电产生H2，破坏水的电离平衡云集OH，阴极区域pH变大；阳极OH放电产生O2，破坏水的电离平衡云集H+，阳极区域pH变小。电解质溶液：电解过程中，既产生H2，又产生O2，则原溶液呈酸性的pH变小，原溶液呈碱性的

25、pH变大，原溶液呈中性的pH不变（浓度变大）；电解过程中，无H2和O2产生，pH几乎不变。如电解CuCl2溶液（CuCl2溶液由于Cu2+水解显酸性），一旦CuCl2全部电解完，pH值会变大，成中性溶液。电解过程中，只产生H2，pH变大。电解过程中，只产生O2，pH变小。（4）电极方程式的书写：先看电极；再将溶液中的离子放电顺序排队，依次放电；注意要遵循电荷守恒，电子得失的数目要相等。（二）电解原理的应用1、铜的电解精炼2、阳极（粗铜棒）：Cu2eCu2 阴极（精铜棒）：Cu22eCu 电解质溶液：含铜离子的可溶性电解质分析：因为粗铜中含有金、银、锌、铁、镍等杂质，电解时，比铜活泼的锌、铁、镍

26、会在阳极放电形成阳离子进入溶液中，Zn2e = Zn2+ 、Fe2e = Fe2+ 、Ni2e =Ni2+，Fe2+、Zn2+、Ni2+不会在阴极析出，最终留存溶液中，所以电解质溶液的浓度、质量、pH均会改变。还原性比铜差的银、金等不能失去电子，它们以单质的形式沉积在电解槽溶液中，成为阳极泥。阳极泥可再用于提炼金、银等贵重金属。2、电镀阳极（镀层金属）：Cu2eCu2 阴极（镀件）：Cu22eCu 电镀液：含镀层金属的电解质分析：因为由得失电子数目守恒可知，阳极放电形成的Cu2离子和阴极Cu2离子放电的量相等，所以电解质溶液的浓度、质量、pH均不会改变。（1）电镀是电解的应用。电镀是以镀层金属

27、为阳极，待镀金属制品为阴极，含镀层金属离子为电镀液。（2）电镀过程的特点：牺牲阳极；电镀液的浓度（严格说是镀层金属离子的浓度）保持不变；在电镀的条件下，水电离产生的H+、OH一般不放电。电解饱和食盐水氯碱工业氯碱工业所得的NaOH、Cl 2 、H2 都是重要的化工生产原料，进一步加工可得多种化工产品，涉及多种化工行业，如：有机合成、医药、农药、造纸、纺织等，与人们的生活息息相关。阳极：石墨或金属钛2Cl2eCl2阴极：铁网2H2eH2电解质溶液：饱和食盐水总方程式：2NaCl2H2O2NaOHH2Cl2分析：在饱和食盐水中接通直流电源后，溶液中带负电的OH和Cl向阳极移动，由于Cl比OH容易失

28、去电子，在阳极被氧化成氯原子，氯原子结合成氯分子放出；溶液中带正电的Na+和H+向阴极移动，由于H+比Na+容易失去电子，在阴极被还原成氢原子，氢原子结合成氢分子放出；在阴极上得到NaOH。（1）饱和食盐水的精制：原因：除去NaCl中的MCl2、Na2SO4等杂质，防止生成氢氧化镁沉淀影响溶液的导电性，防止氯化钠中混有硫酸钠影响烧碱的质量。 试剂加入的顺序：先加过量的BaCl2和过量的NaOH（顺序可换），再加入过量的Na2CO3，过滤，加盐酸调节pH为7。（2）隔膜的作用：防止氢气和氯气混合发生爆炸；防止氯气和氢氧化钠反应影响烧碱的质量。4、电解法冶炼活泼金属：（1）电解熔融的氯化钠制金属钠：2NaCl（熔融）2NaCl2（2）电解熔融的氯化镁制金属镁：MgCl2（熔融）MgCl2（3）电解熔融的氧化铝制金属铝：2Al2O3（熔融）4Al3O2分析：在金属活动顺序表中K、Ca、Na、Mg、Al等金属的还原性很强，这些金属都很容易失电子，因此不能用一般的方法和还原剂使其从化合物中还原出来，只能用电解其化合物熔融状态方法来冶炼。注意：电解熔融NaCl和饱和NaCl溶液的区别；不能用MgO替代MgCl2的原因；不能用AlCl3替代Al2O3的原因。 三原电池、电解池和电镀池的比较典型例题分析例1、