第四章电化学基础

1、第四章第四章 电化学基础电化学基础 第一节第一节 原电池原电池 制作：小段 电化学： 原电池： 研究化学能与电能相互转化的装置、过程和效率的科学。 将化学能转化为电能的装置。 1、原电池形成条件：、原电池形成条件： （3）两极用导线连接（或接触）插入电解质溶液中，形成闭合回路。 （1）存在能自发自发进行的氧化还原反应。 （2）两种活泼性不同的金属(或石墨)做电极（通常）。 2、原电池工作原理、原电池工作原理 氧化还原反应中的氧化反应和还原 反应在不同区域进行，在氧化剂与 还原剂之间形成“电子流”。 负极氧化，正极还原。负极氧化，正极还原。 （1）两个电极反应 负极（锌）：Zn失去电子发生氧化反

2、应电子沿导线流出 负极区多正电荷吸引溶液中的阴离子。 Zn-2e-=Zn2+ 正极（铜）： Cu2+得到电子发生还原反应电子沿导线流入正极区多负电荷 吸引溶液中的阳离子。 Cu2+2e-= Cu 总反应：总反应：Zn + Cu2+=Zn2+ Cu （根据电子守恒将两极相加）（根据电子守恒将两极相加） 说明：通常情况下正极材料不参与反应，只起导电作用。 （2）电子流向（外电路导线）： （3）阴、阳离子流向（内电路电解质溶液、盐桥）： 电子由负极经导线流向正极。 阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。 3、原电池正、负极的判断、原电池正、负极的判断 （1）反应类型判断： （2）两极材料判断： （3）

3、电子流动方向判断： （4）离子流动方向判断： （5）现象判断： 发生氧化反应为负极，发生还原反应为正极。 活泼金属为负极，不活泼金属为正极（一般）。 电子流出为负极，电子流入为正极。 阴离子流向为负极，阳离子流向为正极。 电极溶解为负极，电极增重或产生气泡增重或产生气泡为正极。 4、原电池电极反应式书写：、原电池电极反应式书写： 两极反应就是氧化还原反应的两个“半反应” 必须弄清存在的自发进行的氧化还原反应原理 依据电子守恒、电荷守恒、原子守恒的顺序按下式书写。 （1）负极：氧化反应 还原剂 xe- + 介质 = 氧化产物 + 介质 （2）正极：还原反应 氧化剂 + xe- + 介质 = 还原

4、产物 + 介质 实例练习 Fe/NaCl/C Mg/NaOH/Al Fe/HNO3（浓）/Cu Al/NaCl/Ag2S 5、设计原电池、设计原电池 （1）根据氧化还原反应原理，确定负极反应和正极反应。 （2）选用负极材料（发生氧化反应的金属）和正极材料（导电即可） ，电解质溶液。 （3）画出简单装置图：标明正、负极和电解质，写出电极反应式。 例1：将反应：Fe+2Fe3+=3Fe2+设计为原电池 6、原电池原理的应用 （1）制造化学电源：任何一个氧化还原反应都可设计为原电池 （2）加快氧化还原反应速率：原电池式的反应速率更快。 （3）防止金属腐蚀：牺牲阳极的阴极保护法。 一、一次电池一、一次

5、电池（干电池电解质溶液制成胶状） 指电池内的活性物质消耗到一定程度就不能使用的电池。 1、锌锰干电池：Zn/NH4Cl-ZnCl2-MnO2/(C) 负极： 正极： 总反应： 锌 Zn-2e-=Zn2+ (Zn2+4NH3=Zn(NH3)42+) 石墨 2NH4+2e-=2NH3+H2 (2MnO2+H2=Mn2O3+H2O) Zn+2MnO2+2NH4+=1/2Zn2+1/2Zn(NH3)42+Mn2O3+H2O 2、碱性锌锰干电池：Zn/KOH-MnO2/(C) 负极： 正极： 总反应： 锌 Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2 石墨 2MnO2+2e-+2H2O=2MnOOH+2OH-

6、 Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2 3、锌银电池：Zn/KOH/Ag2O（纽扣电池） 负极： 正极： 总反应： 锌 Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2 Ag2O Ag2O +2e-+H2O=2Ag+2OH- Zn+ Ag2O +H2O=2Ag+Zn(OH)2 二、二次电池二、二次电池可充电电池可充电电池可逆电池可逆电池 放电后可以充电使活性物质再生，可多次重复使用。放电为原电 池，充电为电解池。二者互为可逆。 1、铅蓄电池、铅蓄电池Pb/H2SO4/PbO2 负极： 正极： 总反应： 铅 Pb-2e-+SO42-=PbSO4 二氧化铅 PbO2+2e-+SO42-+

7、4H+=PbSO4+2H2O Pb+ PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O 例1：熔融状态下Na单质和FeCl2能组成可充电电池（装置示意图如上）， 反应原理为：2Na + FeCl2 Fe + 2NaCl 放电时，电池的正极 反应式为_；充电时，_电极接电源 的负极；该电池的电解质为_；充电时的阴极反应 式为 。 2、镍镉电池、镍镉电池 Cd/KOH/NiO(OH) 负极： 正极： 总反应： 镉 Cd-2e-+2OH-=Cd(OH)2 羟基氧化镍 NiO(OH)+e- +H2O =Ni(OH)2+OH- Cd+ 2NiO(OH) +2H2O 2Ni(OH)2+Cd(OH)2 解题思

8、路：从总反应的放电过程入手分别写出负极（氧化）和 正极（还原）反应式放电时的阴极（对应负极）和 阳极（对应正极）反应式刚好相反。 例2：FeCl3和KClO在强碱性条件下反应可制取K2FeO4，其反应的 离子方程式为 ；与MnO2Zn电池类似，K2FeO4 Zn也可以组成碱性电池，K2FeO4在电池中作为 极材料，其电极 反应式为 ，该电池总反应的离子方程式 为 。 例3：磷酸铁锂电池是一种新型锂电池(如图)，是未来锂离子电池的 发展方向。该电池的总反应式为LiFePO4 LiFePO4。 生产该电池所用的磷酸亚铁锂可按如下方法生产：将一定浓度的磷酸 二氢铵、氯化锂混合溶液作为电解液，以铁棒为

9、阳极，石墨为阴极 ，电解析出磷酸亚铁锂沉淀。沉淀经过滤、洗涤、干燥，在800 左右、惰性气体氛围中灼烧即得晶态磷酸亚铁锂。回答下列问题： （1）制备磷酸亚铁锂的过程中，采用惰性气体氛围的原因 是 。 （2）该锂电池放电时正极反应式为 ； 该锂电池充电时的阴极反应式为 ； 在电解制取磷酸亚铁锂时的阳极的电极反应式为 。 三、燃料电池三、燃料电池 将燃料与氧化剂反应所放出的化学能直接转化为电能。(Pt/Au/C作 电极) 负极：可燃物发生氧化反应 正极：氧化剂发生还原反应。（通常为氧气） 1、氢氧燃料电池（酸性、碱性） 负极： 正极： 总反应： H2-2e-=2H+ H2-2e-+2OH-=2H2

10、O O2+4e-+4H+=2H2O O2+4e-+2H2O=4OH- 2H2+O2=H2O 放电过程中，两极附近溶液PH变化？ 放电一段时间后，电解质溶液PH变化？ 2、含碳燃料电池 C被氧化为+4价。电解质为酸性溶液CO2，电解质为碱性溶液 CO32-，电解质为熔融碳酸盐CO2。 （1）CH4/KOH/O2 负极： 正极： 总反应： CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O O2+4e-+2H2O=4OH- CH4+ 2O2+2OH-=CO32-+3H2O （2）CH3OH/H2SO4/O2 负极： 正极： 总反应： CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+ O2+4e-+4H+=

11、2H2O 2CH3OH+ 3O2=2CO2+2H2O （3）C2H6/Na2CO3(l)/O2 负极： 正极： 总反应： C2H6-14e-+7CO32-=9CO2+3H2O O2+4e-+ 2CO2=2CO32- 2C2H6+ 7O2=4CO2+6H2O 例1：某固体酸燃料电池以CaHSO4固体为电解质传递H，其基本结构 见下图，电池总反应可表示为：2H2O22H2O，下列有关说法正确 的是（ ） A.电子通过外电路从b极流向a极 B.b极上的电极反应式为：O22H2O4e4OH- C.每转移0.1 mol电子，消耗1.12 L的H2 D.H由a极通过固体酸电解质传递到b极 例2：一种基于酸

12、性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应 为CH3CH2OH4e+H2O=CH3COOH+4H。下列有关说法正确 的是（ ） A.检测时，电解质溶液中的H向负极移动 B.若有0.4mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48L氧气 C.电池反应的化学方程式为：CH3CHO+O2=CH3COOH+H2O D.正极上发生的反应是：O2+4e+2H2O=4OH 3、铝海水燃料电池Al/海水/空气 负极： 正极： 总反应： Al-3e-=Al3+ O2+4e-+2H2O=4OH- (副反应Al3+ 3OH-=Al(OH)3) 4Al+3O2+6H2O = 4Al(OH)3 例3：铝电池性能优越，Al

13、-Ag2O电池可用作水下:动力电源，其原 理如图所示。该电池反应的负极反应式 ，总反 应化学方程式为 。 第三节第三节 电解池电解池 电解池：将电能转化为化学能的装置。电解池：将电能转化为化学能的装置。 一、电解原理一、电解原理 1、电解池、电解池 (阳阳)C/CuCl2/C(阴阴)工作原理工作原理 阴极：电源不断提供电子给阴极 溶液中阳离子移向阴极 阳离子在阴极处得到电子发生还原反应 Cu2+ + 2e- = Cu （石墨棒上有红色固体析出） 阳极：电子不断从阳极处被“拉走”回流到电源正极 溶液中阴离子移向阳极极 阴离子在阳极处失去电子发生氧化反应 2Cl- -2e- = Cl2 （石墨上有

14、气泡产生，气体使润湿KI-淀粉试纸变蓝） 结论：阴极还原，阳极氧化；电解质溶液导电的过程就是电解结论：阴极还原，阳极氧化；电解质溶液导电的过程就是电解 过程。过程。 总反应：Cu2+ + 2Cl- =Cl2+ Cu 电解 2、电解时的电极反应与离子放电顺序、电解时的电极反应与离子放电顺序 （1）阳极 活性材料作阳极时： 惰性材料作阳极时： 阳极材料自身放电。 R xe- = Rx+ （溶液中阴离子不放电） 溶液中阴离子放电。 阴离子放电顺序及产物： S2- （SO32-） I- Br- Cl- OH- (其余阴离子在水溶液中不可能 放电) （S SO42- I2 Br2 Cl2 O2 ） （2

15、）阴极 任何材料作阴极，均是溶液中阳离子放电。 阳离子放电顺序及产物： Ag+ Hg2+ Fe3+ Cu2+ H+(酸) Pb2+ Sn2+ Fe2+ Zn2+ H+ （说明：（说明：H+离子浓度很大时在离子浓度很大时在Cu2+之后，在盐溶液中之后，在盐溶液中H+在在Zn2+之后）之后） 3、电解池中两极的判断、电解池中两极的判断 （1）根据外接电源判断： （2）根据电极质量变化判断： （3）根据反应类型判断： （4）根据溶液PH变化： 正极-阳极，负极阴极。 减轻阳极，增重-阴极。 氧化反应阳极，还原反应阴极。 PH降低阳极，PH升高阴极。 例例：现有Cu2、Cl、Na、SO42-、Zn2五

16、种离子，两两组成的电 解质溶液若干种，可选用铜电极、铂电极、锌电极进行电解实验。 (1)以_作阳极，电解_溶液时，溶液的pH有明显升 高，且溶液保持澄清，电解的反应式为_。 (2)以_作阳极，电解_溶液时，溶液的pH有明显下 降。 (3)为使电解过程中溶液的浓度保持不变，应以铜为阳极， 电解_溶液，或以_为阳极，电解_溶液。 (4)以铜为阳极，电解_或_溶液，均可得到氢氧化 物沉淀。 (5)要使电解过程中溶质的组成和质量不变，而溶液浓度增大，又无 浑浊，应以_为阳极，电解_溶液，化学方程式为 _。 (6)要使电解过程中溶液浓度改变，而溶剂质量不变，应以铂电极为 阳极，电解_溶液，反应的化学方程

17、式是 _。 (7)使反应Cu2H2O=Cu(OH)2H2得以进行而不发生其他反应， 可选用_为阳极，电解_或_溶液。 (8)以铜为阳极，电解ZnSO4溶液，阴极上一般有_逸出， 在_极区首先会有_色沉淀，电解时间较长时，会 有_色沉淀出现。 练习练习：铅蓄电池是典型的可充型电池，它的正负极格板是惰性材料， 电池总反应式为： PbPbO24H2SO42- 2PbSO42H2O 请回答下列问题： （1）放电时正极电极反应式_， 充电时阴极电极反应式_。 （2）放电时电解液中H2SO4的浓度将变_；当外电路通过 1mol电子时，理论上负极板的质量增加_g。 (3)在完全放电耗尽PbO2和Pb时，若按

18、图连接，电解一段时间后， 则在A电极上生成_、B电极上生成_，此时铅蓄电池 的正负极的极性将_。 4、电解试题解题程序、电解试题解题程序 分析电解质溶液中存在的所有阴、阳离子 根据离子放电顺序确定在两极上放电的离子 出电极反应式 回答相关问题 根据电子守恒解决相应计算问题。 例题例题：常见电解反应原理练习分别写出电极反应式和总反应式 （阳）Fe/NaCl/C（阴） （阳）Cu/H2SO4/C（阴） （阳）Cu/Na2SO4/C（阴） （阳）Fe/NaHCO3/C（阴） （阳）Pt/CuSO4/Pt（阴） 例题：例题：某人设想以下图所示（含有某种催化剂的） 装置用电化学原理生产硫酸。 （1）写出

19、通入SO2的电极的电极反应式 （2）写出总反应离子方程式 （3）若通入SO2的速率为2.24 Lmin1（标准状况）， 为稳定持续生产，硫酸溶液的浓度应维持不变， 求左侧水的流入速率（结果用mLmin1表示）？ 练习练习：如图所示，在一U形管中装入含有紫色石蕊的Na2SO4试液， 通直流电，一段时间后U形管内会形成一个倒立的三色“彩虹”， 从左到右颜色的次序是（ ） A蓝、紫、红 B、红、蓝、紫 C红、紫、蓝D紫、红、蓝 二、电解原理的实际应用二、电解原理的实际应用 1、氯碱工业、氯碱工业：电解饱和食盐水制烧碱、氯气、氢气 （1）装置： （2）原理 离子交换膜电解槽（离子交换膜只允许阳离子通过

20、， 不允许阴离子和气体分子通过）。 阳极： 阴极： 总反应： 阳极室： 阴极室： 钛网（表面涂有钛、钌氧化物），Cl-放电。 2Cl- -2e- = Cl2 碳钢网（表面涂有镍），H+放电。 2H+ + 2e- = H2 (H2O H+ + OH-) 2Cl- + 2H2O2 = OH- + Cl2 + H2 2NaCl + 2H2O2= NaOH + Cl2 + H2 不断注入饱和食盐水，Cl-放电生成Cl2，多于的Na+穿过 离子膜进入阴极室。 NaOH稀溶液，H+放电生成H2，促进H2O电离，多于 的OH-与从阳极室过来的Na+结合为NaOH。 电解 电解 （3）粗盐水的精制（杂质离子：

21、Ca2+Mg2+Fe3+SO42-） 依次加入氯化钡、碳酸钠、氢氧化钠溶液，最后加入盐酸调节PH=7. 思考：除杂原理是什么？ 2、电镀、电镀: （1）电镀含义： （2）电镀目的： （3）电镀原理： 应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其它金属 或合金的过程。 增强金属抗腐蚀能力，增加美观和表面硬度。 阴极： 阳极： 电镀液： 镀件（金属离子得电子还原为金属单质） Rx+ + xe- = R 镀层金属（镀层金属失去电子成为阳离子进入溶液） R - xe- = Rx+ 含镀层金属离子的电解质。 小结：镀件质量增加（有镀层金属析出），阳极金属溶解，小结：镀件质量增加（有镀层金属析出），阳极金属溶解

22、， 电镀液浓度不变。两极变化质量相等。电镀液浓度不变。两极变化质量相等。 例：电镀法制白铁皮（铁皮上镀一薄层锌）。画出实验装置， 写出电极反应式？ 3、电解法精炼金属、电解法精炼金属电解精炼铜 粗铜（Zn Fe Ag Au）= 纯铜 电解 （1）阳极： （2）阴极： （3）电解液： 粗铜（铜、锌、铁放电变为阳离子进入溶液；银、金 不放电而沉降形成阳极泥） Cu 2e- = Cu2+ , Zn 2e- = Zn2+, Fe 2e- = Fe2+ 纯铜（铜离子放电生成铜而附着，锌离子、铁离子不放 电而残留在溶液中） Cu2+ + 2e- = Cu 铜盐溶液 小结：两极质量变化不一定相等；电解液成分

23、发生了变化。小结：两极质量变化不一定相等；电解液成分发生了变化。 4、电冶金、电冶金电解法冶炼金属（钾钙钠镁铝） 电解熔融金属化合物制取金属单质.（活泼金属阳离子的氧化性 极弱，找不到合适的还原剂将其还原，只有采用最强有力的氧化 还原反应手段电解法） 钾氯化钾，钠氯化钠，钙氧化钙，镁氯化镁，铝氧化铝。 例例1：用石墨作电极电解3mol/L KCl和0.5mol/L Al2(SO4)3的混合溶液 时，下列电解变化的曲线合理的是 () 例例2：电浮选凝聚法是工业上采用的一种污水处理方法，如图是 电解污水的实验装置示意图，实验用的污水中主要含有可被吸附 的悬浮物(不导电)。下列有关推断明显不合理的是

24、（ ） A阴极的电极反应式为：O24e2H2O=4OH B通电过程中烧杯内产生可以吸附悬浮物的Fe(OH)3 C通电过程中会产生气泡，把悬浮物带到水面形成浮渣弃去 D如果实验用的污水导电性不良，可加入少量Na2SO4固体以 增强导电性 例例3：某兴趣小组设计如下微型实验装置。实验时，先断开K2， 闭合K1，两极均有气泡产生；一段时间后，断开K1，闭合K2， 发现电流发A指针偏转。下列有关描述正确的是（ ） A断开K2，闭合K1时，总反应的离子方程式为： 2H+ + 2Cl- =通电= H2 + Cl2 B断开K1，闭合K2时，石墨电极附近溶液变红 C断开K1，闭合K2时，铜电极上的电极反应为：

25、 Cl2 + 2e- = 2Cl- D断开K1，闭合K2时，石墨电极作正极 例例4：若某电能与化学能的转化装置(电解池或原电池)中发生的 总反应的离子方程式是：Cu2H=Cu2H2，则下列关于 该装置的有关说法正确的是 () A该装置可能是原电池，也可能是电解池 B该装置只能是原电池，且电解质溶液为硝酸 C该装置只能是电解池，且金属铜为该电解池的阳极 D该装置只能是原电池，电解质溶液不可能是盐酸 例例5：用惰性电极电解VmL某二价金属的硫酸盐溶液一段时间， 阴极有Wg金属析出，溶液的pH从6.5变为2.0(体积变化可忽略不计) 。析出金属的相对原子质量（ ） A.100W/VB.200W/V C2105W/V D1105W/V 附附1：废旧电池的处理：废旧电池的处理 汞、镉、铅、银等离子有毒，酸、碱溶液有腐蚀性，污染土壤和水 体，危害生态环境与公众健康。 回收利用：有色金属节约资源，防止环境污染。 附附2：金属的电化学腐蚀：金属的电