化学高中 第四章 (1)

第四章电化学基础,第一节原电池,电化学：指研究化学能与电能之间相互转换的装置、过程和效率的科学。,过程及装置分按电化学反应,2.借助电流而发生反应及装置(如:电解池),1.产生电流的化学反应及装置(如:原电池等),H+,SO42-,原电池,1、概念:,将化学能转化成电能的装置叫做原电池.,2、构成原电池的条件,（1）两种不同的电极,（2）电解质溶液,（3）形成闭合回路,3、原电池中正负极的判断,负极电子流出的一极,正极电子流入的一极,4、电极反应式和原电池总反应式的书写,总反应式=正极反应式+负极反应式,发生氧化反应,发生还原反应,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,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,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,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,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()AabcdBacdbCcab.dDbdca,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,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）,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）,第四章电化学基础,第二节化学电源,【自学思考】什么是化学电池？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？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(Wh/kg)，(Wh/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,锂电池,干电池,叠层电池,纽扣电池,各类电池,知识点2：各类电池,空气电池,小型高性能燃料电池,一、一次电池干电池,(-)ZnNH4Cl+ZnCl2MnO2,C(+)负极(Zn)：Zn2e-=Zn2+正极(MnO2和C)：2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-电池总反应：Zn+2MnO2+2NH4Cl=2MnOOH+Zn(NH3)2Cl2,普通锌锰电池,1、普通锌锰电池,碱性锌锰电池构造示意图,碱性电池,负极(Zn)：Zn+2OH-2e-=Zn(OH)2正极(MnO2)：2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-电池总反应：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2,2、碱性锌锰电池：(-)ZnKOHMnO2(+),优缺点简析：只能使用一次，不能充电；价格较贵；比能量和储存时间有所提高，适用于大电流和连续放电。,3、锌银电池纽扣电池(-)ZnKOHAg2O(+),负极(Zn)：Zn+2OH-2e-=ZnO+H2O正极(Ag2O)：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-电池总反应：Zn+Ag2O=ZnO+2Ag,4、锂电池,锂电池是新一代高能电池，目前已研究成功多种锂电池，其中用廉价的r-MnO2作正极活性材料，电解液是LiClO4溶于碳酸丙烯（简称PC）和二甲基氧乙烷（简称DMF）的混合溶剂中，浓度为1mol/L，其浓度比是PC：DME=1:1，电池反应为：,负极的反应：Li-e-=Li+,正极的反应：Li+MnO2+e-=LiMnO2,电池总反应：Li+MnO2=LiMnO2,二、二次电池1、铅蓄电池(-)PbH2SO4PbO2(+),负极：氧化反应Pb(s)+SO42-(aq)-2e-=PbSO4(s)正极：还原反应PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq)+2e-=2PbSO4(s)+2H2O(l)总反应：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)+2H2O(l),放电过程,充电过程阴极(接电源负极)：还原反应PbSO4(s)+2e-=Pb(s)+SO42-(aq)阳极(接电源正极)：氧化反应2PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq)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：,铅蓄电池的优缺点简析：,2、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,三、燃料电池,负极(Pt)：2H2-4e-=4H+正极(Pt)：O2+4H+4e-=2H2O电池总反应：2H2+O2=2H2O,1、氢氧燃料电池,(-)PtH2H+O2Pt(+),(-)PtH2OH-O2Pt(+),负极(Pt)：2H2-4e-+4OH-=4H2O正极(Pt)：O2+2H2O+4e-=4OH-电池总反应：2H2+O2=2H2O,氧化剂与还原剂在工作时不断补充；反应产物不断排出；能量转化率高(超过80%)，普通的只有30%，有利于节约能源。缺点：附属设备较多、体积较大、优点：能量转换率高、运行噪音低，清洁。,2、燃料电池的规律,3、燃料电池与前几种电池的差别：,燃料做负极，助燃剂氧气为正极电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用。,4、其它燃料电池：烃、肼、甲醇、氨、煤气燃料电池,减少污染节约资源,废弃电池的回收利用刻不容缓,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”）；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；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)；4溶液中不存在O2-：在酸性溶液中它与H结合成H2O、在碱性或中性溶液中它与水结合成OH-。,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,练习1、碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。锌-锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，总反应式为：Zns2MnO2s2H2OlZnOH2s2MnOOHs下列说法错误的是（）A电池工作时，锌失去电子B电池正极电极反应式为：2MnO2sH2Ol2e2MnOOHs2OHaqC电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极D外电路中每通过02mol电子，锌的质量理论上减小65g,C,练习2、氢气是燃料电池最简单的燃料，虽然使用方便，却受到价格和来源的限制。常用的燃料往往是某些碳氢化合物，如：甲烷、汽油等。请写出将图中氢气换成甲烷时所构成的甲烷燃料电池中a极的电极反应式：_此时电池内总的反应式：_,CH4+10OH-8e-=CO32-+7H2O,CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O,b极：2O2+4H2O+8e-=8OH-,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Lie-=Li+B、Li是负极，电极反应为Lie-=Li+C、Li是负极，电极反应为MnO2+e-=MnO2D、Li是负极，电极反应为Li2e-=Li2+,B,第三节电解池,观察现象,(1)将两根碳棒分别浸入盛有CuCl2溶液U型管，浸一会儿取出；现象:(2)用导线连接两根碳棒后再浸入CuCl2溶液一段时间；现象:(3)浸入CuCl2溶液的两根碳棒分别跟直流电源的正极和负极相连接，把湿润KI试纸放在与直流电源的正极相连的电极附近,过一段时间。现象:,碳棒表面无明显变化,碳棒表面仍无明显变化,与电源负极相连的碳棒覆盖有一层红色物质,与电源正极相连的碳棒表面放出使湿润KI试纸变蓝色的气体.,实验4-2,结论:,CuCl2(aq)Cu+Cl2,电解,Cu2+2Cl-Cu+Cl2,电解,阴极,阳极,思考与交流,(1)通电前，氯化铜溶液里主要存在哪些离子？这些离子的运动情况怎样？(2)通电后，这些离子的运动情况有什么改变？(3)当离子定向运动到电极表面上时，发生了什么变化？,一、电解原理,电解：电流通过电解质溶液（或熔化的电解质）而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程。电解池：把电能转化为化学能的装置叫做电解池(电解槽)。电解池组成条件：直流电源电解质溶液电极(常用惰性电极：Pt、Au或石墨)成闭合回路。,CuCl2溶液,4、电极反应,阳极：2Cl-2e-=Cl2,阴极：Cu2+2e-=Cu,（氧化反应）,（还原反应）,电解CuCl2溶液的化学方程式：,Cu2+2Cl-Cu+Cl2,电解,电源负极电解池阴极溶液中的阳离子向阴极移动并在阴极获得电子，同时溶液中的阴离子向阳极移动.在阳极表面失去电子电子沿阳极回到电源正极,5、在电解过程中电子的流动方向,(1)阳极上的放电顺序：活性材料电极(除Pt、Au、C外的金属)S2-I-Br-Cl-OH-非还原性含氧酸根离子F-,7、电解时电极产物的判断(惰性电极),Ag+Hg2+Fe3+Cu2+H+Pb2+Sn2+Fe2+Zn2+Al3+Mg2+,(2)阴极上的放电顺序：,注:（1）与金属活动性顺序相反（2）注意Fe2+、Fe3+的位置（3）H+前的离子一般不考虑放电，当C(Zn2+)C(H+),Zn2+可放电.,用惰性电极电解下列物质的溶液，填表并写出电极反应。,H+OH-SO42-,H+OH-Cl-,Na+H+OH-,Na+Cl-H+OH-,K+SO42-H+OH-,Cu2+Cl-H+OH-,Cu2+SO42-H+OH-,H2,O2,H2,Cl2,H2,O2,H2,Cl2,H2,O2,Cu,Cl2,Cu,O2,减小,增大,增大,增大,不变,减小,思考与练习：,写出电极反应式及电解总反应方程式(惰性电极，溶液),阳极：阴极：,放出有刺激性气味的气体，能使湿润的KI淀粉试纸变蓝,放出无色、无味气体，附近溶液变红,2Cl2e=Cl2【氧化反应】,2H+2e=H2【还原反应】,【演示实验】电解饱和食盐水：以惰性材料作电极，电解滴有几滴酚酞的饱和食盐水，并以湿润的淀粉KI试纸检验阳极产物，观察实验现象。,二、电解原理的应用,电解饱和食盐水反应原理：,1.电解饱和食盐水制烧碱、氯气和氢气,氯碱工业,通电,(Cl、OH-、H+、Na+),2、电解精炼铜,电解精炼铜原理：,粗铜的溶解与纯铜的生成：,阳极（粗铜）：Cu2e-=Cu2+阴极（纯铜）：Cu2+2e-=Cu,比铜活泼的金属：Zn、Fe、Ni只溶解，不析出；,比铜不活泼的金属：Au、Pt不溶解，而以单质沉积形成阳极泥；,电解质溶液中CuSO4的浓度基本不变。,3、电镀,利用电解的原理在金属表面上镀上一层其它金属或合金的过程。（1）阳极：镀层金属。阴极：待镀的金属电镀液：用含有镀层金属离子的溶液。电镀过程中电镀液的浓度保持不变（2）实质：阳极参加反应的电解（3）阴极必须可以导电，且表面洁净、光滑（4）为了使镀层均匀、美观，电镀液中镀层离子的浓度时刻保持稳定，常制成络离子,4、电冶金,电解熔融盐是冶炼像Na、Ca、Mg、Al等活泼金属的几乎是唯一可行的工业方法。,(1)钠的冶炼电解熔融的NaCl阳极：2Cl-2e-=Cl2阴极：2Na+2e-=2Na总反应：2NaCl(熔融)2Na+Cl2,通电,冶炼金属:Mn+ne-=M,(2)铝的冶炼电解熔融的Al2O3,阴极：4Al3+12e-=4Al阳极：6O2-12e-=3O2总反应：2Al2O3(熔融)4Al+3O2,铝电解槽,通电,Na3AlF6,思考与练习,1、如图所示装置，指出A、B池的名称、电极名称、电极反应式、二池pH值的变化情况。,A池:原电池,B池:电解池,a负极:Zn-2e-=Zn2+b正极:2H+2e-=H2,工作一段时间后溶液pH增大,c阳极:4OH-4e-=2H2O+O2d阴极:Cu2+2e-=Cu,工作一段时间后溶液pH减小,练习,2、将两支惰性电极插入500mlAgNO3溶液中，通电一会，电解液的pH值由6.0变为3.0(设电解时没有氢气放出且电解液体积不变)，则电极上析出银的质量为多少克?,解:,n(H+)的增加量等于n(OH-)的减少量,4AgNO3+2H2O4HNO3+O2(阳极)+4Ag(阴极),1mol,108g,(10-3-10-6)0.5,m(Ag),m(Ag)=0.054(g),电解,6、电解池与原电池异同,两电极接直流电源电解质溶液形成闭合回路,活泼性不同的两电极电解质溶液形成闭合回路自发反应,形成条件,将电能转变成化学能的装置,将化学能转变成电能的装置,定义,装置实例,电解池,原电池,装置,镀层金属接电源正极,待镀金属接电源负极电镀液必须含有镀层金属的离子,应用电解原理在某些金属表面镀上一层其他金属的装置,电镀池,电解池与原电池异同(续),电源负极电解池阴极(溶液中阴阳离子导电)电解池阳极电源正极,电子流向,阳极：氧化反应，溶液中的阴离子失电子或电极金属失电子阴极：还原反应，溶液中的阳离子得电子,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,电极反应,阳极：与电源正极相连阴极：与电源负极相连,负极：较活泼金属正极：较不活泼金属（或能导电的非金属）,电极名称,电解池,原电池,装置,阳极：氧化反应，金属电极失电子阴极：还原反应，溶液中的阳离子得电子,阳极：必须是镀层金属阴极：镀件,电镀池,与电解池相同,第四节金属的电化学腐蚀与防护,知识总结,金属阳离子,失e-,氧化反应,3、金属腐蚀的类型,化学腐蚀,电化腐蚀,析氢腐蚀,吸氧腐蚀,（常见普遍）,一、金属腐蚀,金属原子,2、金属腐蚀的本质：,1、金属腐蚀：,是指金属或合金跟接触的气体或液体发生氧化还原反应而腐蚀损耗的过程。,Mne-Mn+,化学腐蚀与电化腐蚀的比较:,金属跟非金属单质直接接触,不纯金属或合金跟电解质溶液接触,无电流产生,有微弱电流产生,金属被氧化,较活泼金属被氧化,两者往往同时发生，电化腐蚀更普遍,钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀比较,Fe2O3nH2O,（铁锈）,通常两种腐蚀同时存在，但以后者更普遍。,析氢腐蚀,吸氧腐蚀,条件,水膜呈酸性。,水膜呈中性或酸性很弱或碱性。,电极反应,负极Fe(-),Fe-2e-=Fe2+,2Fe-4e-=2Fe2+,正极C(+),2H+2e-=H2,O2+2H2O+4e-=4OH-,总反应:,Fe+2H+=Fe2+H2,2Fe+2H2O+O2=2Fe(OH)2,4Fe(OH)2+2H2O+O2=4