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h2so4是什么化学名称(h2so3是什么化学名称)

2022-08-03 11:05学习135

电化学——原电池、电解池(上)

爱护环境,从我做起,提倡使用电子讲义

电化学——原电池、电解池(上) 【知识内容】 一、原电池的有关问题 1.是否为原电池的判断

先分析有无外接电源,有外接电源的为电解池,无外接电源的可能为原电池;然后依据原电池的

形成条件分析判断,主要是"四看":看电极——两极为导体且存在活泼性差异(燃料电池的电极一般为惰性电极),看溶液——两极插入电解质溶液中,看回路——形成闭合回路或两极直接接触,看本质——有无氧化还原反应发生。

2.原电池正、负极的确定 (1)由两极的相对活泼性确定。 (2)根据在两电极发生反应的物质的化合价的升降情况来判断。 (3)由电极变化情况确定。 (4)根据某些显色现象确定。 (5)根据外电路中自由电子的运动方向规定:在外电路中电子流出的电极叫负极,电子流入的电极

叫正极。 (6)根据内电路中自由离子的运动方向规定:在内电路中阳离子移向的电极叫正极,阴离子移向的

电极叫负极。

3.电极反应式的书写 书写电极反应式是学习电化学的基本功,也是高考和竞赛所必须掌握的知识点。一般来讲,书写

原电池的电极反应式应注意如下四点: (1)准确判断原电池的正负极

一般而言,较活泼的金属成为原电池的负极,但不是绝对的。如将铜片和铝片同时插入浓硝酸中

组成原电池时,铜却是原电池的负极被氧化,因为铝在浓硝酸中表面产生了钝化。此时,其电极反应

式为: 负极:Cu-2e− Cu2+ 正极:2NO3−+4H ++2e− 2NO2+2H2O 又如将镁铝合金放入 6mol/L 的 NaOH 溶液中构成原电池时,尽管镁比铝活泼,但镁不和 NaOH

溶液反应,所以铝成为负极,其电极反应式为: 负极:2Al+8OH− −6e− 2AlO2− +4H2O 正极:6H2O+6e− 3H2↑+6OH−

(2)高度注意电解质的酸碱性 在正、负极上发生的电极反应不是孤立的,它往往与电解质溶液紧密联系。如氢—氧燃料电池有

酸式和碱式两种,在酸溶液中,负极:2H2−4e− 4H+ 正极:O2+4H++4e− 2H2O; 如是在碱溶液中,则不可能有 H+出现,在酸溶液中,也不可能出现 OH−。 又如 CH4、CH3OH 等燃料电池,在碱溶液中 C 元素以 CO32−离子形式存在,而不是放出 CO2。

(3)牢牢抓住总的反应方程式 从理论上讲,任何一个自发的氧化还原反应均可设计成原电池。而两个电极反应相加即得总的反

应方程式。所以,对于一个陌生的原电池,只要知道总反应方程式和其中的一个电极反应式,即可迅

速写出另一个电极反应式。 (4)不能忽视电子转移数相等。 4.原电池的设计方法 以氧化还原反应为基础,首先要确定原电池的正、负极,电解质溶液及电极反应;再利用基础知

识书写电极反应式,参照 Zn-Cu-H2SO4 原电池模型处理问题。 如根据反应:Cu+2FeCl3 CuCl2+2FeCl2 设计一个原电池,为:Cu 作负极,C(或 Pt)作正

极。 FeCl3 作电解质溶液,负极反应为:Cu-2e− Cu2+,正极反应为:2Fe3++2e− 2Fe2+。

5.常见化学电源

原电池是一种将化学能转变为电能的装置,而化学电源则是一种实用的原电池。化学电源品种繁

多,大体可分为三类。 第一类: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 溶液作电解质溶液。其电极反应式为: 负极:2H2+4OH−−4e− 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。其电极反应式为: 负极:CH4+10OH−−8e− CO32−+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。其电极反应式为: 负极:2CH4O+16OH−−12e− 2CO32−+12H2O 正极:3O2+6H2O+12e− 12OH−

总反应式为:2CH4O+3O2+4OH− 2CO32−+6H2O

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(4)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 6500℃下工作的燃料电池。熔融盐燃料电池具有高的发电效率,因而受到重视。其电极反应式为: 负极:2CO+2CO32−−4e− 4CO2 正极:O2+2CO2+4e− 2CO32−

总反应式为:2CO+O2 2CO2

(5)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(其工作原理如图所示)。其电极反应式为: 负极:2H2+2O2−−4e− 2H2O 正极:O2+4e− 2O2−

总反应式为:2H2+O2 2H2O

第二类:一次性电池

即电池中的反应物质在进行一次电化学反应放电之后就不能再次使用了。 (1)锌锰电池—干电池。该电池的负极材料是锌,正极材料是碳棒,电解质是 MnO2、NH4Cl、ZnCl2

组成的糊状物。其电极反应式为: 负极:Zn−2e− Zn2+ 正极:2MnO2+2NH4++2e− Mn2O3+2NH3+H2O 总反应式为:Zn+2MnO2+2NH4+ Zn2+ +Mn2O3+2NH3+H2O 电池中 MnO2 的作用是将正极上 NH4+还原生成的 H 氧化成为水,以免产生 H2 附在石墨表面而增

加电池内阻。由于反应中锌筒不断消耗变薄,且有液态水生成,故电池用久后会变软。碱性锌锰电池

电极反应式为: 负极:Zn+2OH−−2e− Zn(OH)2 正极:2MnO2+2H2O+2e− 2MnO(OH)+2OH− 总反应式为:Zn+2MnO2+2H2O 2MnO(OH)+Zn(OH)2

(2)银锌电池—钮扣电池。该电池使用寿命较长,广泛用于电子表和电子计算机。其电极分别为 Ag2O和 Zn,电解质为 KOH 溶液。其电极反应式为: 负极:Zn+2OH−−2e− ZnO+H2O 正极:Ag2O+H2O+2e− 2Ag+2OH− 总反应式为:Zn+Ag2O ZnO+2Ag

(3)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:

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负极:2Li−2e− 2Li+ 正极:I2+2e− 2I−

总反应式为:2Li+I2 2LiI (4)海水铝电池。该电池是 1991 年我国首创以"铝−空气−海水"电池为能源的新型航海标志灯。这

种灯以海水为电解质溶液,靠空气中氧气使铝不断氧化而产生电流,只要把灯放入海水中就能发

出耀眼的闪光,其能量比干电池高 20—50 倍。其电极反应式为: 负极:4Al−12e− 4Al3+ 正极:3O2+6H2O+12e− 12OH−

总反应式为:4Al+3O2+6H2O 4Al(OH)3

第三类:蓄电池 可以多次反复使用,放电后可以充电复原,又称二次电池。 铅蓄电池:铅蓄电池是一种常见的可充电池,在工农业生产和日常生活中有广泛的应用。该电池

以 Pb 和 PbO2 作电极材料,H2SO4 作电解质溶液。其电极反应式为: 负极:Pb(s)+SO42−(aq)−2e− PbSO4(s) 正极:PbO2(s)+4H+(aq)+SO42−(aq)+2e− PbSO4(s)+2H2O(I) 总反应式为:Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq) 2PbSO4(s)+2H2O(I) 请同学们写出铅蓄电池充电的电极反应式

二、电解池的有关问题 1.电极的判断 (1)看电源正、负极。若与电源负极相连,则为阴极。 (2)看电极周围元素价态的升降。若价态升高,则为阳极。 (3)看电子的流向。 (4)看各种实验现象 2.电解时电极产物的判断 (1)阳极产物的判断首先看电极,如果是活性电极(金属活动顺序表 Ag 以前)作阳极,则电极材料失电子,电极溶解。如果是惰性电极(Pt、Au、石墨),则只看溶液中的离子的失电子能力,阴离子放电顺序为:S2−>I−>Br−>Cl−>OH−(水)。 (2)阴极产物的判断直接根据阳离子放电顺序(如下)进行判断:Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+

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3.用惰性电极电解下列电解质溶液的变化情况

类型 电极反应特点 实例 电解物质 电解质溶液的

浓度 pH

电解质溶液

复原

NaOH 水 增大 增大 水

H2SO4 水 增大 减小 水 电解水型 阴极:2H++2e− H2↑ 阳极: 4OH−-4e− 2H2O+O2↑ Na2SO4 水 增大 不变 水

HCl 电解质 减小 增大 氯化氢 电解电解质

电解质电离出的阴、阳离子

分别在两极放电 CuCl2 电解质 减小 增大 氯化铜

放 H2 生碱型 阴极:放出 H2 生成碱阳极:电解质阴离子放电

NaCl 电解质和水 生成新电解质 增大 氯化氢

放 O2 生酸型 阴极:电解质阳离子放电负

极:OH−放电生成酸 CuSO4 电解质和水 生成新电解质 减小 氧化铜

4.电解原理的应用 (1)电镀:

①电镀即是特殊情况下的电解,一般不必把它当做一个新知识处理。 ②由于电镀的特殊性(镀层作阳极,失电子,发生氧化反应,镀层阳离子得电子,发生还原反应) 使电镀的结果是除了阳极变薄(金属溶解),阴极变厚(镀层金属吸附)之外,无任何其他变化。 其电极方程式一般为:

阳极:M−ne− Mn+ 阴极:Mn++ne− M

(2)铜的电解精炼 (3)氯碱工业——工业上用电解饱和食盐水(NaCl 溶液)的方法制取烧碱(NaOH)、氯气(Cl2)、氢气(H2),以及以烧碱(NaOH)、氯气(Cl2)、氢气(H2)为原料生产一系列其他化工产品的化工生产过程统称氯碱工业。(基础化工之一)

氯碱工业的应用:化工、轻工、纺织、冶金、石化及公用事业。

原理:2NaCl+2H2O 电解 H2↑+2NaOH+Cl2↑

拓展知识:氯碱工业 一、电解饱和食盐水反应原理

二、离子交换膜法制烧碱

1.生产设备名称:离子交换膜电解槽 阳极:金属钛网(涂钛钌氧化物)。 阴极:碳钢网(有镍涂层)。

阳离子交换膜:只允许阳离子通过,把电解槽隔成阴极室和阳极室。

2.离子交换膜的作用: (1)防止氯气和氢气混合而引起爆炸。

(2)避免氯气与氢氧化钠反应生成次氯酸钠影响氢氧化钠产量。 3.生产流程 4.精制食盐水

步骤及原理如下:(所加试剂必须过量,过量试剂必须除去,步骤必须最简单) ①过滤以除去泥沙

②加稍过量的BaCl2溶液:SO42−+Ba2+ BaSO4↓。 ③加稍过量的Na2CO3溶液:CO32−+Ca2+ CaCO3↓;CO32−+Ba2+ BaCO3

④加入稍过量的NaOH溶液:Mg2++2OH− Mg(OH)2↓;Fe3++3OH− Fe(OH)3↓ ⑤过滤以除去上述产生的沉淀。 ⑥这样处理后的盐水仍含有一些Ca2+、Mg2+等金属离子,必须用离子交换树脂除去。 设备:阳离子交换膜电解池(槽)

(4)金属腐蚀与防护

①干燥的环境下以化学腐蚀为主,一般情况下以电化学腐蚀为主。电化腐蚀中一般又以吸氧腐蚀为

主,酸性较强环境中才以析氢腐蚀为主。 ②金属腐蚀与防护的快慢的判断方法电解原理引起的腐蚀与防护>原电池原理引起的腐蚀与防护;

同一种金属的腐蚀:强电解质>弱电解质>非电解质。

③钢铁腐蚀 Fe Fe2+,然后 Fe2+ Fe(OH)2 Fe(OH)3 Fe2O3·xH2O(铁锈),

铁作电极一般不能直接变为 Fe3+。

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三、原电池、电解池、电镀池对比

四、经典例题 例 1.如图所示,将两烧杯用导线如图相连,Pt、Cu、Zn、C 分别为四电极,当闭合开关后,下列叙述中正确的是( )

A.Cu 极为原电池负极 B.Cu 极附近显碱性 C.C 极发生氧化反应 D.电子流向为由 C 极流向 Pt 极

例 2.为研究金属腐蚀的条件和速率,其课外小组学生用金属丝将三根大小相同的铁钉分别固定在图示的三个装置中,再放置于玻璃钟罩里面保存相同的一段时间,下列对实验结束时现象的描述中不正

确的是( ) A.装置Ⅰ左侧的液面一定会下降 B.装置Ⅰ的左侧液面比装置Ⅱ的低 C.装置Ⅱ中的铁钉腐蚀最严重 D.装置Ⅲ中的铁钉几乎没被腐蚀

原电池 电解池 电镀池

定义 将化学能转变成电能的装

置 将电能转变成化学能的装置

应用电解原理在某些金属表

面镀上一层其他金属的装置

形成

条件

①活动性不同的两电极 ②电解质溶液(电极插入

其中并与电极自发反应)

③形成闭合回路

①两电极接直流电源 ②两电极插入电解质溶液 ③形成闭合回路

①镀层金属接电源正极,待

镀金属接电源负极 ②电镀液必须含有镀层金属

离子

电极

名称

负极:较活泼金属 正极:较不活泼金属(或

能导电的非金属)

阳极:与电源正极相连的极 阴极:与电源负极相连的极

阳极:必须是镀层金属 阴极:镀件

电极

反应

负极:氧化反应,金属失

电子 正极:还原反应,溶液中

的阳离子得电子

阳极:氧化反应,溶液中的阴离

子失电子,或金属电极失电子 阴极:还原反应,溶液中的阳离

子得电子

阴极:电镀液中阳离子得电

子 阳极:金属电极失电子

电子

流向 负极 正极 负极 阴极→阳极→正极负极 阴极→阳极→

正极

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例 3.金属镍有广泛的用途,粗镍中含有少量的 Fe、Zn、Cu、Pt 等杂质,可用电解法制备高纯度的镍,下列叙述中正确的是(已知:氧化性 Fe2+

A.阳极发生还原反应,其电极反应式为:Ni2++2e− Ni B.电解过程中,阳极质量的减少与阴极质量的增加相等 C.电解后,溶液中存在的金属阳离子只有 Fe2+和 Zn2+ D.电解后,电解槽底部的阳极泥中只有 Cu 和 Pt

例 4.下列关于如图所示装置的叙述中正确的是( ) A.铜是阳极,铜片上有气泡产生 B.铜片质量逐渐减少 C.电流从锌片经导线流向铜片 D.氢离子在铜片表面被还原

例 5.pH=a 的某电解质溶液中,插入两支惰性电极通直流电一段时间后,溶液的 pH>a。则该电解质可能是( )

A.NaOH B.H2SO4 C.AgNO3 D.Na2SO4

例 6.右图为氢氧燃料电池原理示意图,按照此图的提示,下列叙述中不正确的是( ) A.a 电极是负极 B.b 电极的电极反应为:4OH−-4e− 2H2O+O2↑ C.氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源 D.氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储 藏在电池内的新型发电装置

例 7.下图中能验证氯化钠溶液(含酚酞)电解产物的装置是( )

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