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应电子沿导线流出负极区多正电荷

2、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）电子流动方向判断：（4）离子流动方向判断： （5）现象判

3、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 = 还原产物 + 介质实例练习Fe/NaCl/CMg/NaOH/AlFe/HN

4、O3（浓）/CuAl/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：Z

5、n/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-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

6、：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-+4H+=PbSO4+2H2OPb+ 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

7、），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

8、K2FeO4，其反应的离子方程式为 ；与MnO2Zn电池类似，K2FeO4Zn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）

9、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-=2H2OO2+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

10、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-+7H2OO2+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+=2H2O2CH3OH+ 3O2=2CO2+2H2O（3）C2H6/Na2CO3(l)/O2负极：正极：总反应：C2H6-14e-+7CO32-=9CO2+3H2OO2+4e-+ 2CO2=2CO32-2C2H6+ 7O2=4CO2+6H2O例1：某固体酸燃料电池

11、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H2D.H由a极通过固体酸电解质传递到b极例2：一种基于酸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

12、D.正极上发生的反应是：O2+4e+2H2O=4OH3、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-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

13、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

14、。 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）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

15、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

16、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

17、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/

18、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

19、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，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

20、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：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

21、结：镀件质量增加（有镀层金属析出），阳极金属溶解，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

22、定相等；电解液成分发生了变化。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（

23、 ）A阴极的电极反应式为：O24e2H2O=4OHB通电过程中烧杯内产生可以吸附悬浮物的Fe(OH)3C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 + Cl2B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：Cl2 + 2e- = 2

24、Cl-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/VC2105W/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：金属的电化学腐蚀金