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新课标人教版选修四化学反应原理 第四章电化学基础 第一节原电池 复习回顾 1 原电池是 的装置 原电池反应的本质是 反应 将化学能转化为电能 氧化还原反应 2 如右图所示 组成的原电池 1 当电解质溶液为稀H2SO4时 Zn电极是 填 正 或 负 极 其电极反应为 该反应是 填 氧化 或 还原 下同 反应 Cu电极是 极 其电极反应为 该反应是 反应 2 当电解质溶液为CuSO4溶液时 Zn电极是 极 其电极反应为 该反应是 反应 Cu电极是 极 其电极反应为 该反应 反应 负 Zn 2e Zn2 氧化 正 2H 2e H2 还原 负 Zn 2e Zn2 氧化 正 Cu2 2e Cu 还原 氧化反应 Zn 2e Zn2 铜锌原电池 电解质溶液盐桥 失e 沿导线传递 有电流产生 还原反应 2H 2e H2 阴离子 阳离子 总反应 负极 正极 2H 2e H2 Zn 2e Zn2 Zn 2H Zn2 H2 Zn H2SO4 ZnSO4 H2 离子方程式 化学方程式 电极反应 正极 负极 氧化反应 还原反应 阳离子 原电池原理 外电路 内电路 与原电池相关的概念 1 电路 外电路 内电路 电子流向 负极流向正极 电流方向 正极流向负极 阴离子流向负极 阳离子流向正极 2 电极 正极 电子流入的一极 负极 电子流出的一极 3 电极反应式 正极 2H 2e H2 负极 Zn 2e Zn2 4 总反应式 Zn 2H Zn2 H2 提出问题 上图是我们在必修2中学习过的将锌片和铜片置于稀硫酸的原电池 如果用它做电源 不但效率低 而且时间稍长电流就很快减弱 因此不适合实际应用 这是什么原因造成的呢 有没有什么改进措施 学生讨论 造成的主要原因 由于在铜极上很快就聚集了许多氢气泡 把铜极跟稀硫酸逐渐隔开 这样就增加了电池的内阻 使电流不能畅通 这种作用称为极化作用 一 对锌铜原电池工作原理的进一步探究 为了避免发生这种现象 设计如下图 书P71图4 1 所示的原电池装置 你能解释它的工作原理吗 实验三 书71页实验4 1 实验探索 实验现象 分析 改进后的装置为什么能够持续 稳定的产生电流 盐桥在此的作用是什么 参考教材71页 有盐桥存在时电流计指针发生偏转 即有电流通过电路 取出盐桥 电流计指针即回到零点 说明没有电流通过 盐桥制法 1 将热的琼胶溶液倒入U形管中 注意不要产生裂隙 将冷却后的U形管浸泡在KCl或NH4NO3的饱和溶液中即可 2 将KCl或NH4NO3的饱和溶液装入U形管 用棉花都住管口即可 盐桥的作用 1 使整个装置构成通路 代替两溶液直接接触 得出结论 由于盐桥 如KCl 的存在 其中阴离子Cl 向ZnSO4溶液扩散和迁移 阳离子K 则向CuSO4溶液扩散和迁移 分别中和过剩的电荷 保持溶液的电中性 因而放电作用不间断地进行 一直到锌片全部溶解或CuSO4溶液中的Cu2 几乎完全沉淀下来 若电解质溶液与KCl溶液反应产生沉淀 可用NH4NO3代替KCl作盐桥 2 平衡电荷 在整个装置的电流回路中 溶液中的电流通路是靠离子迁移完成的 Zn失去电子形成的Zn2 进入ZnSO4溶液 ZnSO4溶液因Zn2 增多而带正电荷 同时 CuSO4则由于Cu2 变为Cu 使得SO42 相对较多而带负电荷 溶液不保持电中性 这两种因素均会阻止电子从锌片流向铜片 造成电流中断 请同学们思考 上述原电池装置是将什么反应的化学能转换成电能的 指出电池的正负极 并分别写出其中负极和正极的电极反应式以及该电池的总反应方程式 ZnSO4溶液CuSO4溶液 负极 锌片 Zn 2e Zn2 氧化反应 正极 铜片 Cu2 2e Cu 还原反应 电池反应 总化学方程式 Zn Cu2 Zn2 Cu 电池符号 Zn ZnSO4 CuSO4 Cu负极盐桥正极 一 对锌铜原电池工作原理的进一步探究 二 由两个半电池组成原电池的工作原理 1 把氧化反应和还原反应分开在不同区域进行 再以适当方式连接 可以获得电流 在这类电池中 用还原性较强的物质作为负极 负极向外电路提供电子 用氧化性较强的物质作为正极 正极从外电路得到电子 在原电池的内部 两极浸在电解质溶液中 并通过阴阳离子的定向运动而形成内电路 2 探究组成原电池的条件 练习 锌铜原电池产生电流时 阳离子 A移向Zn极 阴离子移向Cu极B移向Cu极 阴离子移向Zn极C和阴离子都移向Zn极D和阴离子都移向Cu极 B 实验探究形成原电池的条件 可以 可以 可以 不可以 形成条件一 活泼性不同的两个电极 负极 较活泼的金属正极 较不活泼的金属 石墨等 第一组实验 可以 不可以 形成条件二 电极需插进电解质溶液中 第二组实验 实验探究形成原电池的条件 第三组实验 实验探究形成原电池的条件 形成条件三 必须形成闭合回路 不可以 可以 2 组成原电池的条件 1 有两种活动性不同的金属 或一种是非金属单质或金属氧化物 作电极 2 电极材料均插入电解质溶液中 3 两极相连形成闭合电路 4 内部条件 能自发进行氧化还原反应 A B C D E F M N 1 下列哪几个装置能形成原电池 O V X V V X X X V 原电池构成条件 典型例题 V 2 一个电池反应的离子方程式是Zn Cu2 Zn2 Cu 该反应的的原电池正确组合是 C 原电池构成条件 典型例题 3 原电池的正负极的判断方法 参考第二教材P118 电子流出的极电子流入的极 负极 正极 较活泼的电极材料较不活泼的电极材料 质量增加的电极工作后质量减少的电极 负极 正极 正极 负极 工作后 有气泡冒出的电极为正极 发生氧化反应的极发生还原反应的极 负极 正极 1 某金属能跟稀盐酸作用发出氢气 该金属与锌组成原电池时 锌为负极 此金属是 A MgB FeC AlD Cu B 2 由铜锌和稀硫酸组成的原电池工作时 电解质溶液的pH A 不变B先变大后变小C逐渐变大D 逐渐变小 C 典型例题 3 把a b c d四块金属片浸入稀硫酸中 用导线两两相连组成原电池 若a b相连时 a为负极 c d相连时 电流由d到c a c相连时 c极上产生大量气泡 b d相连时 b上有大量气泡产生 则四种金属的活动性顺序由强到弱的为 A a b c dB a c d bC c a b dD b d c a B 4 如图所示 在铁圈和银圈的焊接处 用一根棉线将其悬在盛水的烧杯中 使之平衡 小心的向烧杯中央滴入CuSO4溶液 片刻后可观察到的现象是 D A 铁圈和银圈左右摇摆不定B 保持平衡状态C 铁圈向下倾斜 银圈向上倾斜D 银圈向下倾斜 铁圈向上倾斜 4 电解质溶液和电极材料的选择 活泼性不同的两种金属 如锌铜原电池 锌作负极 铜作正极 金属和非金属 如锌锰干电池 锌作负极 石墨棒作正极 金属和化合物 如铅蓄电池 铅版作负极 PbO2作正极 惰性电极 如氢氧燃料电池中 两根电极均可用Pt 电池的电极必须导电 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 则左右两个烧杯中的电解质溶液应与电极材料具有相同的阳离子 请根据氧化还原反应 Cu 2Fe3 Cu2 2Fe2 设计成原电池 你有哪些可行方案 CuCu 2e Cu2 比Cu不活泼的金属或石墨2Fe3 2e 2Fe2 Fe2 SO4 3 FeCl3等 负极 正极 电解质溶液 练一练 若是采用烧杯和盐桥装置图 采用的电解质溶液又是什么 试画出原电池的装置简图 能自发进行的氧化还原反应 通常须两个活性不同的电极 电解质溶液 还原剂在负极失电子 发生氧化反应 氧化剂在正极得电子 发生还原反应 1 利用原电池原理设计新型化学电池 2 改变化学反应速率 如实验室用粗锌与硫酸反应制取氢气 3 进行金属活动性强弱比较 4 电化学保护法 即将金属作为原电池的正极而受到保护 如在铁器表面镀锌 三 原电池的主要应用 5 解释某些化学现象 1 比较金属活动性强弱 例1 下列叙述中 可以说明金属甲比乙活泼性强的是 C 将甲乙作电极组成原电池时甲是负极 A 甲和乙用导线连接插入稀盐酸溶液中 乙溶解 甲上有H2气放出 B 在氧化 还原反应中 甲比乙失去的电子多 D 同价态的阳离子 甲比乙的氧化性强 C 原电池原理应用 2 比较反应速率 例2 下列制氢气的反应速率最快的是 粗锌和1mol L盐酸 B A 纯锌和1mol L硫酸 纯锌和18mol L硫酸 C 粗锌和1mol L硫酸的反应中加入几滴CuSO4溶液 D D 原电池原理应用 3 比较金属腐蚀的快慢 例3 下列各情况 在其中Fe片腐蚀由快到慢的顺序是 5 2 1 3 4 原电池原理应用 例4 下列装置中四块相同的Zn片 放置一段时间后腐蚀速率由慢到快的顺序是 4 2 1 3 4 判断溶液pH值变化 例5 在Cu Zn原电池中 200mLH2SO4溶液的浓度为0 125mol L 若工作一段时间后 从装置中共收集到0 168L升气体 则流过导线的电子为 mol 溶液的pH值变 溶液体积变化忽略不计 0 2 解得 y 0 015 mol x 0 015 mol 3 75 10 4 mol L pH lg3 75 10 4 4 lg3 75 答 0 015 根据电极反应 正极 负极 Zn 2e Zn2 2H 2e H2 得 2222 4 xy0 168 解 0 2 0 125 2 c H 余 2H 2e H2 大 0 015 原电池原理应用 5 原电池原理的综合应用 例6 市场上出售的 热敷袋 的主要成分为铁屑 炭粉 木屑 少量氯化钠和水等 热敷袋 启用之前用塑料袋使其与空气隔绝 启用时 打开塑料袋轻轻揉搓就会放出热量 使用完后 会发现有大量铁锈存在 热敷袋 是利用放出热量 2 炭粉的主要作用是 3 加入氯化钠的主要作用是 铁被氧化 与铁屑 氯化钠溶液构成原电池 加速铁屑的氧化 氯化钠溶于水 形成电解质溶液 原电池原理应用 拓展练习 1 若烧杯中溶液为稀硫酸 则观察到的现象 两极反应式为 正极 负极 该装置将能转化为能 2 若烧杯中溶液为氢氧化钠溶液 则正极为 总反应方程为 镁逐渐溶解 铝极上有气泡冒出 电流表指针发生偏转 2H 2e H2 Mg 2e Mg2 化学能 电能 Al 2Al 2NaOH 2H2O 2NaAlO2 3H2 小结 定义 1 由两个半电池组成的锌铜原电池的工作原理 原电池 把化学能转化成电能的装置 2 原电池的工作原理较活泼的金属发生氧化反应 电子从较活泼的金属 负极 通过外电路流向较不活泼的金属 正极 2 形成原电池的条件 3 原电池的正负极的判断方法 4 电极材料的选择 电池的电极必须导电 在一瓣橘子上相隔0 5cm分别插一小铜片和铝片 把铜片和铝片的另一端通过导线接触耳机的两极 试试能否听到 嘎嘎 声 能够从耳机中听到 嘎嘎 声 说明了什么 用其他金属 水果 液体再试一试 研究性学习 新课标人教版选修四化学反应原理 2020年2月24日星期一 第四章电化学基础 第二节化学电源 化学电源 学与问 在日常生活和学习中 你用过哪些电池 你知道电池的其它应用吗 电池 化学电池 太阳能电池 原子能电池 将化学能转换成电能的装置 将太阳能转换成电能的装置 将放射性同位素自然衰变时产生的热能通过热能转换器转变为电能的装置 思考 目前化学电池主要分为哪几个大类 在性能等方面它们各有什么特点 产生电能的基本原理是什么 化学电池与其他能源相比有哪些优点 判断电池的优劣标准主要是什么 知识点1 化学电池 1 概念 将化学能变成电能的装置 2 分类 一次电池又称不可充电电池 如 干电池 二次电池又称充电电池 蓄电池 燃料电池 3 优点 4 电池优劣的判断标准 能量转换效率高 供能稳定可靠 可以制成各种形状和大小 不同容量和电压的电池和电池组 使用方便 易维护 可在各种环境下工作 比能量 符号 W h kg W h L 指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少 比功率 符号是W kg W L 指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小 电池的储存时间的长短 1 干电池 普通锌锰电池 干电池用锌制桶形外壳作负极 位于中央的顶盖有铜帽的石墨作正极 在石墨周围填充NH4Cl ZnCl2和淀粉作电解质溶液 还 填充MnO2的黑色粉末吸收正极放出的H2 防止产生极化现象 电极总的反应式为 Zn 2MnO2 2NH4Cl ZnCl2 Mn2O3 2NH3 H2O 请写出各电极的电极反应 一 一次电池 练 写出锌锰干电池的电极反应和总化学反应方程式 负极 正极 总反应 通常我们可以通过干电池的外观上的哪些变化判断它已经不能正常供电了 我们在使用干电池的过程中并没有发现有气体产生 请推测可能是干电池中的什么成分起了作用 Zn 2e Zn2 2NH4 2e 2NH3 H2 H2 2MnO2 Mn2O3 H2O 锌筒变软 电池表面变得不平整 MnO2 Zn 2MnO2 2NH4Cl ZnCl2 Mn2O3 2NH3 H2O 碱性锌 锰干电池 负极 正极 电池反应 电解质 KOH Zn MnO2 Zn 2OH 2e Zn OH 2 2MnO2 2H2O 2e 2MnOOH 2OH Zn 2MnO2 2H2O 2MnOOH Zn OH 2 思考 该电池的正负极材料和电解质 干电池 负极 Zn 2e Zn2 正极 2NH4 2e 2NH3 H2 总电池反应方程式 2NH4Cl Zn ZnCl2 2NH3 H2 缺点 放电量小 放电过程中易气涨或漏液 改进后碱性锌锰电池的优点 电流稳定 放电容量 时间增大几倍 不会气涨或漏液 二氧化锰的用途 Zn 2MnO2 2H2O 2MnOOH Zn OH 2 2 迷你型电池 优点 电压高 稳定 低污染 用途 手表 相机 心率调节器 HgO S Zn S Hg l ZnO S Ag2O S Zn S 2Ag l ZnO S 3 锂电池 锂亚硫酰氯电池 Li SOCl2 8Li 3SOCl2 6LiCl Li2SO3 2S负极 正极 用途 质轻 高能 比能量高 高工作效率 高稳定电压 工作温度宽 高使用寿命 广泛应用于军事和航空领域 8Li 8e 8Li 3SOCl2 8e 6Cl SO32 2S 铅蓄电池 镍镉电池 镍氢电池 锂离子电池 1 铅蓄电池 1 正负极材料 正极 PbO2 负极 Pb 2 工作机制 电解质 H2SO4溶液 铅蓄电池为典型的可充电电池 其电极反应分为放电和充电两个过程 二 二次电池 放电过程总反应 Pb s PbO2 s 2H2SO4 2PbSO4 s 2H2O Pb s SO42 2e PbSO4 s 正极 PbO2 s 4H SO42 2e 2PbSO4 s 2H2O 氧化反应 还原反应 负极 放电过程 铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程 Pb s PbO2 s 2H2SO42PbSO4 s 2H2O l 充电过程 PbSO4 s 2e Pb s SO42 还原反应 阴极 阳极 2PbSO4 s 2H2O 2e PbO2 s H SO42 氧化反应 接电源负极 接电源正极 充电过程总反应 2PbSO4 s 2H2O l Pb s PbO2 s 2H2SO4 铅蓄电池的充放电过程 3 优缺点简析 缺点 比能量低 笨重 废弃电池污染环境 优点 可重复使用 电压稳定 使用方便 安全可靠 价格低廉 其它二次电池 镍镉电池 镍氢电池 锂离子电池 聚合物锂离子蓄电池 2 银锌蓄电池 1970 1975 开发了先进的银锌 镍镉电池技术 1975 1983 为美国海军生产潜水艇用银锌电池 1979 1987 为美国国家能源部发展电动车用的镍锌电池 1998 1992 为美国海军发展世界上最大的镍镉电池用于核潜水艇 银 锌蓄电池广泛用作各种电子仪器的电源 它的充电和放电过程可以表示为 2Ag Zn OH 2Ag2O Zn H2O 此电池放电时 负极上发生反应的物质是 A AgB Zn OH 2C Ag2OD Zn D 电极反应 负极 Zn 2e 2OH Zn OH 2 正极 Ag2O 2e H2O 2Ag 2OH 3 镉镍电池 负极材料 Cd 正极材料 涂有NiO2 电解质 KOH溶液 反应式如下 写出电极反应式 特点 比铅蓄电池耐用 可密封反复使用 镍 镉可充电电池可发生如下反应 Cd 2NiO OH 2H2O 由此可知 该电池的负极材料是 Cd OH 2 2Ni OH 2 A Cd A B NiO OH D Ni OH 2 C Cd OH 2 电极反应 负极 Cd 2e 2OH Cd OH 2 正极 2NiO OH 2e 2H2O 2Ni OH 2 2OH 大有发展前景的燃料电池燃料电池是利用氢气 天然气 甲醇等燃料与氧气或空气进行电化学反应时释放出来的化学能直接转化成电能的一类原电池 目前燃料电池的能量转化率可达近80 约为火力发电的2倍 这是因为火力发电中放出的废热太多 燃料电池的噪声及硫氧化物 氮氧化物等废气污染都接近零 燃料电池发明于19世纪30年代末 经反复试验 改进 到20世纪60年代才开始进入实用阶段 第一代燃料电池的大致情况如下 三 燃料电池 氢氧燃料电池 新型燃料电池 燃料电池不是把还原剂 氧化剂物质全部贮藏在电池内 而是在工作时 不断从外界输入 同时将电极反应产物不断排出电池 燃料电池 优点 能量转化率高 可持续使用 对环境友好 用途 宇宙飞船 应用前景广阔 负极 2H2 4OH 4e 4H2O 正极 O2 2H2O 4e 4OH 总反应方程式 2H2 O2 2H2O 燃料电池 2H2 4e 4H O2 4H 4e 2H2O 2H2 4e 4H O2 2H2O 4e 4OH 2H2 4OH 4e 4H2O O2 2H2O 4e 4OH 固体燃料电池 2H2 4e 2O2 2H2O O2 4e 2O2 2H2 4e 4H O2 4H 4e 2H2O 航天技术上使用的一种电池 它具有高能 轻便 不污染环境等优点 用Pt做电极 KOH溶液做电解液 因其反应与氢氧燃烧相似 故称为氢氧燃烧电池 请写出各电极的电极反应 氢氧燃料电池 若将氢气换成甲烷 写出各电极的电极反应 将铂丝插入KOH溶液作电极 然后向两个电极上分别通入甲烷和氧气 可以形成原电池 由于发生的反应类似于甲烷的燃烧 所以称作燃料电池 根据两极上反应的实质判断 通入甲烷的一极为 这一极的电极反应为 通入氧气的一极为 电极反应为 总反应为 负极 CH4 8e 10OH CO32 7H2O 正极 O2 4e 2H2O 4OH CH4 2O2 2KOH K2CO3 3H2O 若将氢气换成甲烷 写出各电极的电极反应 书写电极反应式应注意以下几点 1 电极反应是一种离子反应 遵循书写离子反应的所有规则 如 拆 平 3 负极失电子所得氧化产物和正极得电子所得还原产物 与溶液的酸碱性有关 如 4价的C在酸性溶液中以CO2形式存在 在碱性溶液中以CO32 形式存在 2 将两极反应的电子得失数配平后 相加得到总反应 总反应减去一极反应即得到另一极反应 课堂总结1 仅有一个电极材料参与反应的原电池 负极 M xe Mx 正极 析氢或吸氧或析出不活泼金属2 两个电极均参与反应的原电池 如蓄电池 纽扣电池 电极材料 金属为负极 金属化合物为正极 电子得失均由两电极本身发生 电极反应需考虑电解质溶液的参与 3 电极材料本身均不参与反应的电池 燃料电池 两电极材料均为惰性电极 负极 可燃性气体失电子 正极 助燃性气体得电子 电极反应考虑电解质溶液 1 在含有H2S气体的空气中 银器表面易变黑 生成了Ag2S 为了除去银器表面Ag2S 可采用如下方法 在一个铝制的容器中放入食盐溶液 将银器浸入食盐溶液 使银器与铝接触良好 过一段时间 银器表面变为银白色 并闻到臭鸡蛋的气味 观察到有少量白色絮状沉淀生成 请用电极反应式和离子方程式表示上述过程 巩固练习 Al 3e Al3 Ag2S 2e 2Ag S2 2Al 3Ag2S 6H2O 6Ag 2Al OH 3 3H2S 2 熔融盐燃料电池具有较高的发电效率 因而受到重视 可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质 CO为阳极燃气 空气与CO2的混合气为阴极燃气 制得在65 下工作的燃料电池 完成有关的电池反应式 负极反应式 2CO 2CO32 4CO2 4e正极反应式 总反应式 O2 4e 2CO2 2CO32 2CO O2 2CO2 3 锂电池是一代新型高能电池 它以质量轻 能量高而受到了普遍重视 目前已研制成功多种锂电池 某种锂电池的总反应为Li MnO2 LiMnO2 下列说法正确的是 A Li是正极 电极反应为Li e Li B Li是负极 电极反应为Li e Li C Li是负极 电极反应为MnO2 e MnO2 D Li是负极 电极反应为Li 2e Li2 B 4Al 12e 4Al3 3O2 6H2O 12e 12OH 不活泼金属或碳 Cu 2Fe3 2e 2Fe2 Cu 2e Cu2 6 已知 铅蓄电池充电完毕后 电池中硫酸的密度为 1 放电完毕后 溶液的密度变为 2 又铅蓄电池充电时的反应 2PbSO4 2H2OPb PbO2 2H2SO4法拉第常数 F 96500C mol 写出铅蓄电池使用时所产生的总反应式及两电极上的半反应 已知充放电完毕后 溶液的密度是下列两个数据 1 10g cm3 相当于含14 35 质量 的硫酸 1 28g cm3 相当于含36 87 质量 的硫酸请指出分别 1 2对应于哪一个数据 用什么方法可以确定什么时候该充电什么时候该停止充电 按方程式计算生成及消耗的水和硫酸的质量 计算一个电容量为4 32 106C的蓄电池中需加多少硫酸 用久了的铅蓄电池会对环境造成污染 为什么 充电 新课标人教版选修四化学反应原理 2020年2月24日星期一 第四章电化学基础 第三节电解池 3课时 思考回忆 1 电解质是指在 能够导电的化合物 2 电离是指电解质在 或 状态下离解成 的过程 3 原电池是 的装置 4 写出下列物质的电离方程式CuCl2H2ONaHSO4CH3COONH4 水溶液或熔融状态下 水溶液 熔融 自由移动离子 把化学能转化为电能 一 电解原理 演示试验 实验微观解释 结论 电解质通电前在水溶液中自由移动的阴 阳离子作 运动 在外电源的作用下 直流电 改作 移动而导电 在导电的同时 在阳 阴两极发生氧化 还原反应 即被电解 电离是 的前题 自由 定向 电解 直流电源 电极 电解质 电极反应 阴极 阳极 总反应 Cu2 Cl Cl Cu2 2e Cu 2Cl 2e Cl2 Cu2 2Cl CuCl2 还原反应 氧化反应 被还原 得e 失e 被氧化 放出Cl2 析出Cu 电解氯化铜原理 CuCl2 Cu2 2Cl 阴极 阳极 Cu Cl2 Cu Cl2 氧化还原反应 1 电解原理 在外加直流电源的作用下 电解质的阴阳离子在阴阳两极发生氧化还原反应的过程 叫电解 电流是发生氧化 还原反应的根源 动力 阴阳离子在做定向运动导电的同时 也就在两极发生了氧化还原反应 生成了新物质 而金属导电是由自由电子的定向运动形成 无反应发生 无新物质生成 两者有本质区别 明确 定义 把电能转化为化学能的装置 组成 两个电极 电解质溶液 直流电源 电极 阳极 与外电源正极相连的电极 出电子 氧化反应 阴极 与外电源负极相连的电极 进电子 还原反应 惰性电极 C Pt Au等 不论做阴极 阳极 本身都不反应 活泼电极 Fe Cu Ag等 做阴极本身不反应 做阳极 本身被氧化溶解 电解池 电极材料 2 3 构成电解池的条件 直流电源 与电源负极相连的电极为阴极 与电源正极相连的电极为阳极 电极 电解质溶液或熔融电解质 形成闭合的回路 4 电解池电极反应规律 阳氧阴还 1 阴极 得电子 还原反应 电极本身不参加反应 一定是电解质溶液中阳离子 争 得电子 2 阳极 失电子 氧化反应 若为金属 非惰性 电极 电极失电子 若为惰性电极 电解质溶液中阴离子 争 失电子 重点 要判断电极反应的产物 必须掌握离子的放电顺序 阴离子失去电子而阳离子得到电子的过程叫放电 离子放电顺序 阴离子失去电子而阳离子得到电子的过程叫放电 活性材料作电极时 金属在阳极失电子被氧化成阳离子进人溶液 阴离子不容易在电极上放电 用惰性电极 Pt Au 石墨 钛等 时 溶液中阴离子的放电顺序 由难到易 是 S2 SO32 I Br Cl OH NO3 SO42 等含氧酸根离子 F Ag Fe3 Cu2 H Pb2 Sn2 Fe2 Zn2 H Al3 Mg2 Na Ca K 注 当离子浓度相差较大时 放电顺序要发生变化 相同时按H 不同时按 H 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 阳离子在阴极上放电顺序是 阳极 阴极 想一想 若以铜为阳极 铁为阴极 电解氯化铜溶液 情况又如何 分析电解反应的一般思路 明确溶液中存在哪些离子 根据阳极氧化 阴极还原分析得出产物 阴阳两极附近有哪些离子 5 电极反应式 电解方程式的书写 例 写出用石墨做电极电解CuSO4溶液的电极反应式及总的电解方程式 方法 阴极 阳极 最后使得失数相等 两极半反应相加得总方程式 阴极 阳极 4OH 4e O2 2H2O 2Cu2 4e 2Cu OH SO42 H Cu2 H2OH OH CuSO4 Cu2 SO42 首先分析 比较出阴阳极的放电离子 然后写电极反应式 2Cu O2 4H 或2CuSO4 2H2O 电解化学方程式 2Cu O2 2H2SO4 2Cu2 2H2O 电解离子方程式 练习 完成下列溶液的电极反应 以石墨为电极电解 硫酸溶液 盐酸 NaOH溶液 CuBr2溶液 KCl溶液 CuSO4溶液 Na2SO4溶液 阳极 4OH 4e 2H2O O2 阴极 4H 4e 2H2 总反应 2H2O2H2 O2 阳极 2Cl 2e Cl2 阴极 2H 2e H2 阳极 Cu 2e Cu2 阴极 Cu2 2e Cu 阳极 4OH 4e 2H2O O2 阴极 2Cu2 4e 2Cu 总反应 2CuSO4 2H2O 2Cu 2H2SO4 O2 电解规律 惰性电极 小结 阳极 S2 I Br Cl OH 含氧酸根 F 与 区 电解本身型如CuCl2 HCl 与 区 放氢生碱型如NaCl 与 区 放氧生酸型如CuSO4 AgNO3 与 区 电解水型如Na2SO4 H2SO4 NaOH 阴极 Ag Fe3 Cu2 H Fe2 Zn2 H Al3 Mg2 Na 电解质溶液用惰性电极电解的示例 含氧酸 H2SO4 强碱 NaOH 活泼金属的含氧酸盐 Na2SO4 无氧酸 HCl 阳极 4OH 4e O2 2H2O阴极 4H 4e 2H2 减小 增大 不变 H2O 阳极 2Cl 2e Cl2 阴极 2H 2e H2 增大 HCl 不活泼金属的无氧酸盐 CuCl2 阳极 2Cl 2e Cl2 阴极 Cu2 2e Cu 减少 CuCl2 活泼金属的无氧酸盐 NaCl 阳极 2Cl 2e Cl2 阴极 2H 2e H2 增大 HCl 不活泼金属的含氧酸盐 CuSO4 阳极 4OH 4e O2 2H2O阴极 2Cu2 4e 2Cu 减小 CuO 1 判断A B C D属于原电池的是 属于电解池的是 并写出下列装置的电极反应式 巩固练习 2 如上图所示 通电后A极上析出Ag 对该装置的有关叙述正确的是A P是电源的正极B F极上发生的反应为 4OH 4e 2H2O O2 C 电解时 甲 乙 丙三池中 除E F两极外 其余电极均参加了反应D 通电后 甲池的PH减小 而乙 丙两池溶液的PH不变 B 3 用铂电极电解下表中各组物质的水溶液 电解一段时间以后 甲 乙两池中溶液的pH值均减小 而在 和 两极 电极产物的物质的量之比为1 2的是甲乙ABCD甲KOHH2SO4Na2SO4CuSO4乙CuSO4AgNO3HClHNO3 甲 乙 D 4 为下图所示装置中 a b都是惰性电极 通电一段时间后 b极附近溶液呈红色 下列说法正确的是A X是正极 Y是负极B X是负极 Y是正极C CuSO4溶液的pH值逐渐减小D CuSO4溶液的pH值不变 AC 发生氧化还原反应 从而形成电流 电流通过引起氧化还原反应 两个电极 电解质溶液或熔融态电解质 形成闭合回路 自发发生氧化还原反应 电源 电极 惰性或非惰性 电解质 水溶液或熔融态 由电极本身决定正极 流入电子负极 流出电子 由外电源决定阳极 连电源正极阴极 连电源负极 外电路 负极 正极 电源负极 阴极 阳极 电源正极 外电路 正极 负极 电源正极 阳极 阴极 电源负极 负极 Zn 2e Zn2 氧化反应 正极 2H 2e H2 还原原应 阳极 2CI 2e CI2 氧化反应 阴极 Cu2 2e Cu 还原反应 化学能 电能 电能 化学能 设计电池 金属防腐 氯碱工业 电镀 电冶 金属精炼 铜锌原电池 电解氯化铜 二 电解原理的应用 1 电解食盐水 思考 1 通电前 饱和食盐水中存在哪些离子 这些离子的运动情况怎样 2 在电解装置中可否选用铜作阴 阳极的电极材料 为什么 3 通电后 溶液中的离子运动发生了什么变化 4 通电后 溶液中的在阴 阳放电的是什么离子 5 电解后 在阴极区和阳极区分别得到的产物是什么 怎样初步检验两极产物的生成 阳极 湿润的淀粉 KI试纸阴极 酚酞试液 现象 阳极 有气泡产生 使湿润的淀粉 KI试纸变蓝阴极 有气泡产生 滴加酚酞溶液变红 实验装置 电解饱和食盐水可以制造烧碱 氯气和氢气 1 生产设备名称 离子交换膜电解槽阴极 碳钢阳极 钛阳离子交换膜 只允许阳离子通过 Cl OH 离子和气体不能通过 把电解槽隔成阴极室和阳极室 2 离子交换膜的作用 a 防止氢气和氯气混合而引起爆炸 b 避免氯气和氢氧化钠反应生成 而影响氢氧化钠的产量 氯碱工业 离子交换膜法制烧碱210 Cl2 Cl2 Cl H2 H OH 淡盐水 NaOH溶液 精制饱和NaCl溶液 H2O 含少量NaOH 离子交换膜 阳极室 阴极室 粗盐的成份 泥沙 Ca2 Mg2 Fe3 SO42 杂质 会与碱性物质反应产生沉淀 损坏离子交换膜 精制食盐水 杂质的除去过程 粗盐水 含少量Ca2 Mg2 精制盐水 2 铜的电解精炼 一般火法冶炼得到的粗铜中含有多种杂质 如锌 铁 镍 银 金等 这种粗铜的导电性远不能满足电气工业的要求 如果用以制电线 就会大大降低电线的导电能力 因此必须利用电解的方法精炼粗铜 粗铜含杂质 ZnFeNiAgAu等 纯铜 粗铜 阳极 Zn Zn2 2e Fe Fe2 2e Ni Ni2 2e Cu Cu2 2e ZnFeNiCuAgAu 阴极 Cu2 2e Cu 阳极泥 问 电解完后 CuSO4溶液的浓度有何变化 CuSO4溶液 阳极泥 相对不活泼的金属以单质的形式沉积在电解槽底 形成阳极泥 3 电镀 电镀是利用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的过程 它是电解原理的又一重要应用 电镀可以使金属更加美观耐用 增强防锈抗腐能力 例如 钢铁是人们最常用的金属 但钢铁有个致命的缺点 就是它们易被腐蚀 防止钢铁发生腐蚀的一种最常用方法就是在其表面镀上其他金属 如锌 铜 铬 镍等 电镀 电镀是利用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的过程 电极 阳极 镀层金属或惰性电极阴极 待镀金属制品 电镀液 含有镀层金属离子的电解质溶液 溶液中CuSO4的浓度保持不变或变小 4 电冶金 制取金属钠 电解熔融状态的氯化钠 阳极 2Cl 2e Cl2 阴极 2Na 2e 2Na 总反应 2NaCl 熔融 2Na Cl2 电解熔融氯化钠制钠 阳极 6O2 12e 3O2 阴极 4Al3 12e 4Al 冶炼铝 原理 助熔剂 冰晶石 Na3AlF6六氟合铝酸钠 阳极材料 碳 和熔融氧化铝需要定期补充 思考 工业上为什么用电解熔融氧化铝的方法冶炼铝而不用AlCl3 冶炼铝设备图 烟罩 思考交流 试比较电解饱和食盐水与电解熔融氯化钠的异同 提示 比较电解质 电解装置 电极反应 电解产物 小结 与电源正极相连 阳极 阴极 与电源负极相连 发生氧化反应 阳离子移向 阴离子移向 发生还原反应 1 电源 电极 电极反应关系 2 电解原理的应用 氯碱工业 电镀 电冶金 电解池 电解精炼池 电镀池的比较 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它金属的装置 两电极接直流电源 电极插人电解质溶液 形成闭合回路 镀层金属接电源正极待镀金属接电源负极 电镀液须含有镀层金属的离子 阳极 电源正极相连阴极 电源负极相连 阳极 镀层金属 阴极 镀件 阳极 氧化反应阴极 还原反应 阳极 氧化反应阴极 还原反应 应用电解原理将不纯的金属提纯的装置 不纯金属接电源正极纯的金属接电源负极 电解质溶液须待提纯金属的离子 阳极 不纯金属 阴极 纯金属 阳极 氧化反应阴极 还原反应 练习 分析下图 哪个是原电池 哪个是电解池 1 下列说法或实验现象的描述不正确的是 A 把铜片和铁片紧靠在一起浸入稀硫酸中 铜片表面出现气泡B 把铜片插入氯化铁溶液中 在铜片表面出现一层铁C 把锌粒放入盛有盐酸的试管中 加入几滴氯化铜溶液 气泡放出速度加快D 与电源负极相连的是电解槽的阴极2 100mL浓度为2mol L的盐酸跟过量的锌片反应 为加快反应速率 又不影响生成氢气的总量 可采用的方法是 A 加入适量的6mol L的盐酸B 加入数滴氯化铜溶液C 加入适量蒸馏水D 加入适量的氯化钠溶液3 用石墨作电极 电解1mol L下列物质的溶液 溶液的PH值保持不变的是 A HClB NaOHC Na2SO4D NaCl4 下列关于铜电极的叙述 正确的是 A 铜锌原电池中铜是正极B 用电解法精炼粗铜时 铜作阳极C 在镀件上电镀铜时可用金属铜作阳极D 电解稀硫酸制H2 O2时 铜作阳极 1 a b哪一极为正极 2 若要给铁叉镀锌 a极选用什么材料 选择何种溶液 思考 e 金属性强弱的判断已知 M N2 M2 N Pt极电解相同浓度P和M的硫酸盐 阴极先析出M N与E有导线相连放入E的硫酸盐溶液 电极反应 E2 2e E N 2e N2 则四种金属活泼性由强到弱为 答案 P M N E 工业上采用Fe C为电极电解K2MnO4溶液制KMnO41 电解时 应以作阴极 电解过程中阴极附近溶液pH将会 2 阳极反应式为 3 总电解反应式为 2K2MnO4 2H2O 2KMnO4 2KOH H2 答案 Fe增大MnO42 e MnO4 电解计算 电子守恒法例一 铂电极电解1LCu NO3 2和KNO3混合溶液 通电一段时间 两极均产生11 2L S T P 气体 求电解后溶液的pH 并确定析出铜的物质的量 解析 阳极4OH 4e 2H2O O2 阴极Cu2 2e Cu 2H 2e H2 阳极转移电子的物质的量为 0 5 4 2mol 消耗4OH 2mol 即产生H 2mol 阴极生成0 5molH2 消耗H 1mol 所以溶液中C H 1mol LpH 0生成H2转移的电子 0 5 2 1mol 故还有1mole 用于还原Cu2 可析出铜为0 5mol O2 2Cu 4Ag 4H 2H2 2Cl2 4OH 计算关系式 例二 用石墨电极电解100mLH2SO4与CuSO4的混合液 通电一段时间后 两极均收集到2 24L 标况 气体 则原混合液中Cu2 的物质的量浓度为 A 1mol LB 2mol LC 3mol LD 4mol L A 阳极O2为0 1mol 电子为0 4mol 则H2为0 1mol 所以Cu为0 1mol 浓度为A 例三 某硝酸盐晶体化学式为M NO3 x nH2O 式量为242 将1 21g该晶体溶于水配成100mL溶液 用惰性电极进行电解 当有0 01mol电子转移时 溶液中金属离子全部析出 此时阴极增重0 32g 求 金属M的相对原子质量及x n值 电解溶液的pH 溶液体积仍为100mL Mx xe M0 005mol0 01mol0 32g 所以 x 2 M 64 n 3 产生H 为0 01mol pH 1 1 右图中x y分别是直流电源的两极 通电后发现a极板质量增加 b极板处有无色无臭气体放出 符合这一情况的 A 练习 2 根据金属活动顺序表 Cu不能发生如下反应 Cu 2H2O Cu OH 2 H2 但选择恰当电极材料和电解液进行电解 这个反应就能变为现实 下列四种电极材料和电解液中 能实现该反应最为恰当的是 B 3 德国人哈伯发明了合成氨技术而获得1918年诺贝尔化学奖 但该方法须在高温高压催化剂 否则难以自发进行 2000年希腊化学家斯佳在 科学 杂志上公布了他的新发明在常压下把氢气与氮气通入一加热到570 的电解池 如图 氢氮在电极上合成氨 而且转化率高于哈伯法的五倍 达到80 该电解池采用了能传导某种离子 H Li F O2 的固体复合氧化物为电解质 简称SCY 吸附在SCY内外侧表面的金属钯多孔多晶薄膜为电极 写出上文中电解池的阴阳极反应式和电解池总反应式 固体复合氧化物 新课标人教版选修四化学反应原理 2020年2月24日星期一 第四章电化学基础 第四节金属的电化学腐蚀与防护 2课时 金属腐蚀我国作为世界上钢铁产量最多的国家 2005年全国生产钢材37117 02万吨 每年被腐蚀的铁占到我国钢铁年产量的十分之一 因为金属腐蚀而造成的损失占到国内生产总值的2 4 约合人民币 3000亿元 2005年我国国内生产总值将达15万亿元 根据各国调查结果 一般说来 金属腐蚀所造成的经济损失大致为该国国民生产总值的4 左右 另据国外统计 金属腐蚀的年损失远远超过水灾 火灾 风灾和地震 平均值 损失的总和 在这里还不包括由于腐蚀导致的停工 减产和爆炸等造成的间接损失 看后 你有何感想 金属腐蚀的主要害处 不仅在于金属本身的损失 更严重的是金属制品结构损坏所造成的损失比金属本身要大到无法估量 腐蚀不仅造成经济损失 也经常对安全构成威胁 国内外都曾发生过许多灾难性腐蚀事故 如飞机因某一零部件破裂而坠毁 桥梁因钢梁产生裂缝而塌陷 油管因穿孔或裂缝而漏油 引起着火爆炸 化工厂中储酸槽穿孔泄漏 造成重大环境污染 管道和设备跑 冒 滴 漏 破坏生产环境 有毒气体如Cl2 H2S HCN等的泄漏 更会危及工作人员和附近居民的生命安全 面对这样惊人的数据和金属腐蚀危害事实 大家有没有想过 铁怎么会被腐蚀 怎样防腐 问题讨论 钢铁及其制品通常为含碳的铁合金 它们在什么条件下易生锈 试设计实验来证明你的结论 活动探究 实验结论 钢铁及其制品等生锈的条件 问题讨论 钢铁及其制品通常为含碳的铁合金 若在潮湿的环境里或湿度较大的环境里长期放置 常易生锈变红 原因是什么 向铁粉中加入少量的炭粉 混合均匀后 撒入内壁分别用氯化钠和稀醋酸润湿过的两支试管分别标记为a b中 按图1 28装置好仪器 几分钟后 打开止水夹 观察 比较导管中水柱 在水中滴加几滴红墨水 的变化和试管中的现象 实验现象 装置a中的导管中水柱上升 装置b中的导管中水柱下降 思考 导管中的水柱变化说明什么问题 讨论 小结 装置a中的导管中水柱上升 说明大试管内气体压强减小 a装置中有气体参加反应 装置b中的导管中水柱下降 说明大试管内气体生成 思考 向铁粉中加入炭粉的作用是什么 在a装置中铁 炭 氯化钠溶液及b装置中铁 炭 醋酸均构成原电池 能加快化学反应速率 请大家根据原电池原理 写出电极反应式及电池反应方程式 a装置