原电池、电解原理及其应用

1 2011届高考化学第二轮复习 知识点10 化学反应与能量电化学 一 基本概念与基本理论 原电池 化学电源 电解池 精炼池 电镀池 2 1 概念 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 例 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 一 原电池 3 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 Cu2 2e Cu 阴离子 阳离子 总反应 负极 正极 Cu2 2e Cu Zn 2e Zn2 Zn Cu2 Zn2 Cu Zn CuSO4 ZnSO4 Cu 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 2 原电池原理 外电路 内电路 4 3 原电池的形成条件 两极一液一连线 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 5 4 原电池的正负极的判断方法 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 6 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 二 对原电池工作原理的进一步探究 为了避免发生这种现象 设计如下图所示的原电池装置 你能解释它的工作原理吗 提出问题 右图是我们在必修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 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 7 此电池的优点 能产生持续 稳定的电流 锌半电池 铜半电池 8 实验 选修4书76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 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 9 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 取出盐桥 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 10 三 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 11 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 A h kg A 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 12 电池 铅蓄电池 1 电极材料及原料2 电解质溶液3 电极反应式 正极 PbO2负极 Pb H2SO4溶液 负极 Pb Pb 2e SO42 PbSO4 Pb PbO2 2H2SO4 2PbSO4 2H2O 正极 PbO2 PbO2 4H SO42 2e PbSO4 2H2O 总反应 放电时 转移1mole 消耗多少molH2SO4 13 2PbSO4 s 2H2O l Pb s PbO2 s 2H2SO4 aq 充电过程 PbSO4 s 2e Pb s SO42 aq 还原反应 阴极 阳极 PbSO4 s 2H2O l 2e PbO2 s 4H aq SO42 aq 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 aq 铅蓄电池的充放电过程 14 3 铅蓄电池优缺点简析 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 15 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 16 氢氧燃料电池工作原理 2H2 4e 4H O2 4H 4e 4H2O 2H2 4e 4H O2 2H2O 4e 4OH 2H2 4OH 4e 4H2O O2 2H2O 4e 4OH 17 固体氢氧燃料电池 2H2 4e 2O2 2H2O O2 4e 2O2 2H2 4e 4H O2 4H 4e 2H2O 18 它是以两根金属铂片插入KOH溶液中作电极 又在两极上分别通入甲烷和氧气 电极反应为 负极 正极 电池总反应 2O2 4H2O 8e 8OH CH4 10OH 8e CO32 7H2O CH4 2O2 2KOH K2CO3 3H2O 甲烷新型燃料电池 分析溶液的pH变化 电解质为KOH溶液若用C2H6 CH3OH呢 19 C2H6燃料电池 电解质为KOH溶液负极 正极 电池总反应 CH3OH燃料电池 电解质为KOH溶液负极 正极 电池总反应 7O2 14H2O 28e 28OH 2C2H6 36OH 28e 4CO32 24H2O 2C2H6 7O2 8KOH 4K2CO3 10H2O 3O2 6H2O 12e 12OH 2CH3OH 16OH 12e 2CO32 12H2O 2CH3OH 3O2 4KOH 2K2CO3 6H2O 20 C4H10 空气燃料电池 电解质为熔融K2CO3 用稀土金属材料作电极 具有催化作用 负极 正极 电池总反应 13O2 52e 26CO2 26CO32 2C4H10 52e 26CO32 34CO2 10H2O 2C4H10 13O2 8CO2 10H2O 21 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 22 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 四 原电池原理应用 23 2 比较金属腐蚀的快慢 例2 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 24 例3 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 25 例4 铝 空气燃料电池 海水 负极 正极 电池总反应 3O2 12e 6H2O 12OH 4Al 12e 4Al3 4Al 3O2 6H2O 4Al OH 3 3 原电池设计 26 例5 原电池设计 1 用Zn Cu作两极 NaCl作电解质溶液 试分析写出两极反应式2 铝 镁 NaOH电池3 铜 铁 浓HNO3 4 试根据反应 Cu 2AgNO3 Cu NO3 2Ag设计成原电池 画出装置图 并写出电极反应式 若用到盐桥 则盐桥中电解质可用 5 Fe 2Fe3 3Fe2 Cu 2Fe3 2Fe2 Cu2 6 如何使反应 Cu 2H Cu2 H2 发生 KNO3溶液 27 CuCl2溶液 阴离子移向 阳极 阴极 氧化反应 还原反应 电子流向 阳离子移向 Cu2 2e 2Cu 2Cl 2e Cl2 电解池 1 电解原理 28 2 离子放电顺序 要记住 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 金属材料 S2 SO32 I Br Cl OH NO3 SO42 等含氧酸根离子 F 活性电极不参与电极反应 发生反应的是溶液中的阳离子 阳极 阴极 阳离子在阴极上放电顺序是 Ag Fe3 Cu2 H Pb2 Sn2 Fe2 Zn2 H Al3 Mg2 Na Ca K 29 电解原理的应用 1 镀铜反应原理阳极 纯铜 Cu 2e Cu2 阴极 镀件 Cu2 2e Cu 电解液 可溶性铜盐溶液 如CuSO4 2 氯碱工业反应原理阳极 2Cl 2e Cl2 阴极 2H 2e H2 2NaCl 2H2O 2NaOH H2 Cl2 3 电解精炼反应原理 电解精炼铜 粗铜中含Zn Fe Ni Ag Pt Au等阳极 粗铜 Cu 2e Cu2 Zn 2e Zn2 Ni 2e Ni2 Fe 2e Fe2 等 阴极 精铜 Cu2 2e Cu 电解液 可溶性铜盐溶液 如CuSO4 Zn2 Ni2 等阳离子得电子能力小于Cu2 而留在电解质溶液中 金属活动顺序排在Cu后的Ag Pt Au等失电子能力小于Cu 以金属单质沉积于阳极 成为 阳极泥 30 3 电解规律 阴极 阳极 氯气 铜 阳极 2Cl 2e Cl2 阴极 Cu2 2e 2Cu CuCl2Cu Cl2 减小 增大 CuCl2 CuCl2溶液 31 阳极 阴极 氧气 氢气 阳极 4OH 4e 2H2O O2 阴极 4H 4e 2H2 变大 不变 加H2O Na2SO4溶液 32 阳极 阴极 氯气 氢气 阳极 2Cl 2e Cl2 阴极 2H 2e H2 2NaCl 2H2O2NaOH H2 Cl2 减小 增大 加HCl NaCl溶液 33 阳极 阴极 氧气 铜 阳极 4OH 4e 2H2O O2 阴极 Cu2 2e Cu 2CuSO4 2H2O 2Cu O2 2H2SO4 电解 减小 减小 加CuO CuSO4溶液 34 高铁电池是一种新型可充电电池 与普通高能电池相比 该电池能长时间保持稳定的放电电压 高铁电池的总反应为3Zn 2K2FeO4 8H2O3Zn OH 2 2Fe OH 3 4KOH下列叙述不正确的是 A 放电时负极反应为 Zn 2e 2OH Zn OH 2B 充电时阳极反应为 Fe OH 3 3e 5OH FeO42 4H2OC 放电时每转移3mol电子 正极有1molK2FeO4被氧化D 放电时正极附近溶液的碱性增强 放电 例题1 充电 C 35 放电时为原电池 负极发生氧化反应 充电时为电解池 阳极发生还原反应 结合电极总反应式可判断A B正确 放电时每转移3mol电子 正极应该有1molK2FeO4被还原 Fe的价态由 6降为 3 放电时由于正极生成KOH所以碱性增强 选 C 解析 36 例2 金属镍有广泛的用途 粗镍中含有少量Fe Zn Cu Pt等杂质 可用电解法制备高纯度的镍 下列叙述正确的是 已知 氧化性Fe2 Ni2 Cu2 A 阳极发生还原反应 其电极反应式 Ni2 2e NiB 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 D 37 解析 电解池阳极发生氧化反应 所以阳极反应为Ni 2e Ni2 电解过程中 阳极质量的减少与阴极质量的增加不相等 因为粗镍中含有少量Fe Zn Cu Pt等杂质 当阳极溶解Fe而阴极析出Ni时 阳极质量的减少与阴极质量的增加就不相等 电解后 溶液中存在的金属阳离子除了Fe2 和Zn2 还可能存在Ni2 电解后 电解槽底部的阳极泥中不可能存在Fe Zn 因为Fe Zn比Ni活泼 所以只存在Cu和Pt Fe Zn Cu Pt已知 氧化性Fe2 Ni2 Cu2 38 例题3 C 向水中加入等物质的量的Ag Pb2 Na Cl SO42 NO3 将该溶液倒入惰性材料作电极的电解槽中 通电片刻 氧化产物与还原产物的质量比为 A 35 5 108 B 16 207 C 8 1 D 108 35 5 39 易误认为Ag 在阴极上放电析出Ag Cl 在阳极上放电析出Cl2 从而误选 A 稍加分析后则不难看出 将等物质的量的Ag Pb2 Na Cl 放入水中 Ag 与Cl 要生成不溶性的AgCl Pb2 与要生成微溶性的PbSO4 最终得到的是NaNO3溶液 用惰性电极电解此溶液的产物是H2和O2 正确答案是 C 解析 40 例题4 用石墨作电极电解AlCl3溶液时 图示的电解液变化曲线合理的是 pH 7 A pH 7 B 时间 时间 沉 淀 量 C 沉 淀 量 D 时间 时间 AD 41 电解规律 惰性电极 小结 阳极 S2 I Br Cl OH 含氧酸根 F 区 电解本身型如CuCl2 区 放氢生碱型如NaCl 区 放氧生酸型如CuSO4 AgNO3 区 电解水型如Na2SO4 H2SO4 NaOH 阴极 Ag Fe3 Cu2 H Fe2 Zn2 H Al3 Mg2 Na 42 3 电解质溶液