电化学基础知识及其应用

电化学基础知识及其应用1原电池及其应用原电池是将化学能转化为电能的装置1.1原电池原理1.1.1原电池装置构成①两个活泼性不同的电极；②电解质溶液或熔融的电解质[说明]原电池的两极分别称为正极和负极。两极中相对活泼（易失电子）的作为负极，相对不活泼的为正极。负极应要能与电解质溶液发生自发的氧化反应。当两电极材料均插入电解质溶液中并将两极相连构成闭合电路，原电池装置才能发生电化反应产生电流。1.1.2原电池发电原理及电极反应将铜片和锌片平行地插入稀硫酸溶液中，则构成了原电池。若将两极用导线相连，则有电流产生。“发电”的原理说明如下：由于锌比铜活泼，易失电子，Zn为负极，Cu则为正极。两极相连后，Zn自发失去电子，不断“溶解”，形成Zn2+进入溶液。锌片失去的电子沿外电路到达铜片，此时溶液中阳离子H+在铜片表面获得电子，形成H2逸出。与此同时溶液中的阴离子（SO42-，OH-）移向负极，阳离子（H+）移向正极（电池内部离子的迁移是由化学势所推动的，即非电场力做功完成）。由于电池工作时，电子能自发地从负极经外电路流向正极，在电池内部，溶液中离子能自发地迁移，这样电池就向外提供电能，发电了。电极反应式表示如下负极（Zn）Zn–2e-=Zn2+(负极发生失电子的氧化反应，流出电子)正极（Cu）2H++2e-=H2↑(正极发生得电子的还原反应，流进电子)总反应式Zn+2H+=Zn2++H2↑从上分析可知此例正极材料本身并无参与电极反应，仅起作导体作用而已。因此，正极材料若换为活泼性比锌差的导体为电极（如石墨），效果一样。1.2原电池的应用主要有两方面：其一，利用原电池自发进行的氧化还原反应，开发化学电源；其二，抑制原电池反应发生，应用于金属腐蚀的防护。1.2.1常见的化学电源①锌-锰干电池正极-石墨棒，负极-锌筒,电解质-淀粉湖-NH4Cl与碳粉、MnO2的混合物。负极反应：Zn-2e-=Zn2+，正极反应：2NH4++2e-=2NH3+H2，2MnO2+H2=Mn2O3+H2O；电池反应：Zn+NH4Cl+MnO2=ZnCl2+2NH3+Mn2O3+H2O②铅蓄电池电解质溶液为(电解液：1.25g/cm3~1.28g/cm3的H2SO4溶液放电时，负极-Pb：Pb-2e-+SO42-=PbSO4↓；正极-Pb（PbO2）：PbO2+2e-+4H++SO42-=PbSO4↓+2H2O充电时，阴极：PbSO4+2e-=Pb+SO42-阳极：PbSO4↓-2e-+2H2O=PbO2+4H++SO42-；③锌-银钮扣电池锌为负极，氧化银为正极，KOH溶液为电解质溶液。负极(Zn):Zn–2e-+2OH-=ZnO+H2O[电极上Zn–2e-=Zn2+,溶液中Zn2++2OH-=Zn(OH)2,Zn(OH)2=ZnO+H2O]正极(Ag2O):Ag2O+2e-+H2O=2Ag+2OH-;电池总反应Zn+Ag2O=ZnO+2Ag④燃烧电池电解质水膜杂质碳（+）铁件（-）在潮湿环境中，铁件表面的一层水膜构成了原电池的电解质溶液。铁件中的杂质碳为正极，铁Fe作负极。正极和负极是直接相碰的，因此，负极的铁件失电子被氧化腐蚀：Fe-e-=Fe2+利用可燃物与O2的反应开发的电源，燃料电池与普通电池的区别:不是把还原剂、氧化剂物质全部贮藏在电池内，而是工作时不断从外界输入，同时电极反应产物不断排出电池。燃料电池的原料，除氢气和氧气外，也可以是CH4、煤气、燃料、空气、氯气等氧化剂。常见有：氢氧燃烧电池、烃类（如CH4、C2H6）燃烧电池、醇类（如CH3OH、C2H5OH）燃烧电池、肼(H2N-NH2)--空气燃料电池等。1.2.2金属的腐蚀及防护（1）金属的腐蚀金属或合金跟周围接触到的物质(气体或液体)进行化学反应而损耗的过程即为金属的腐蚀。若金属与接触到的物质直接发生氧化还原反应而引起的腐蚀称为化学腐蚀，此类腐蚀无电流产生；若合金或不纯金属，接触到电解质溶液而构成了原电池，其中活泼的金属作负极，失去电子而被氧化的腐蚀称电化腐蚀,此类腐蚀拌随有电流的产生。电化腐蚀又分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀，两者的比较见下表（2）金属的防护根据金属腐蚀的类型及其原理，可从以下几方面采取防护措施：①阻断形成原电池的条件，避免电化腐蚀。如保持铁件表面干燥或表面涂一层油漆等，都可阻止表面电解质溶液的形成，使之无条件发生电化腐蚀。②形成原电池，但把被保护的金属作正极，避免腐蚀。如在钢铁船体埋锌块，在海水中可形成Zn-Fe原电池，因钢铁船体为正极得以保护。③外接直流电源，将被保护金属接到电源的负极，并形成闭合回路。由于外电源负极提供大量的电子，有效地压制了被保护金属失电子的氧化，达到防腐的作用。2电解池及其应用电解池是将电能转化为化学能的装置2.1电解的原理2.1.1电解池装置构成①阴阳两个电极;②电解质溶液（或熔化的电解质）。[说明]:①电解池两极名称分别叫阴极和阳极,由所连接在的外电源的那一极决定。与外接电源负极相连作为电解池的阴极，与外接电源正极相连的作为电解池的阳极。②当然若要发生电解，还要有外接直流电源设备，并构成闭合回路。2.1.2电解原理分析以惰性电极电解硫酸铜溶液为例说明通电前CuSO4=Cu2++SO42-,H2O=H++OH-溶液中存在由电离产生的两种阳离子(Cu2+和H+),两种阴离子(SO42-和OH-)通电后①离子定向移动阳离子(Cu2+和H+)移向阴极,阴离子(SO42-和OH-)移向阳极②电极反应阴极:由于Cu2+比H+易得电子，故2Cu2++4e-=2Cu(发生还原反应)析氢腐蚀吸氧腐蚀条件水膜酸性较强水膜酸性很弱或非酸性正极反应2H++2e-=H2↑O2+2H2O+4e-=4OH-负极反应Fe–2e-=Fe2+其它----------------Fe2++2OH-=Fe(OH)2；4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3阳极:由于OH-比SO42-易失电子，故4OH—-4e-=2H2O+O2↑(发生氧化反应)（或2H2O4e-=O2+4H+）③溶液pH变化在阳极区，由于水电离出的OH-得到电子形成O2逸出，而H+仍留在溶液中，造成溶液中n(H+)n(OH-),使溶液显酸性。总化学反应方程式2CuSO4+2H2O=2Cu+O2↑+2H2SO42.1.3放电顺序粒子在电极上得电子或失电子的过程又叫放电。阴离子失电子从易到难顺序：S2-I-Br-Cl-OH-F-(或最高价含氧酸根离子)阳离子得电子从易到难顺序（与金属活动顺序相反）：Ag+Hg2+Fe3+(变Fe2+)Cu2+酸中的H+Pb2+Sn2+Fe2+Zn2+H2O中H+Al3+Mg2+Na+Ca2+K+说明:①上述顺序为各离子浓度相近时的放电顺序②电解池中电极材料分两类，一类称惰性电极，如石墨、铂、金，它不参与电极反应，仅起导电体作用；另一类称活泼电极，即除铂、金外的常见金属材料的电极。当阳极为活泼电极时，在电解时它将优先失电子而被氧化为金属离子“溶”入溶液，而溶液中阴离子不会发生失电子的变化。③利用离子放电顺序可以判断电解时电极的产物。2.1.4电解规律(1)常见酸碱盐溶液的电解规律(惰性阳极)电解反应类型电解质类型规律例PH变化溶液复原法电解水含氧酸实质电解水--H2+O2电解稀H2SO4降低加H2O强碱溶液实质电解水--H2+O2电解NaOH溶液升高加H2O活泼金属含氧酸盐实质电解水--H2+O2电解Na2SO4溶液不变加H2O电解质分解无氧酸酸---H2+非金属2HCl==H2+Cl2升高加HCl不活泼金属无氧酸盐盐----金属+非金属CuCl2=Cu+Cl2----加CuCl2放氧生酸不活泼金属含氧酸盐盐+水---金属+O2+酸2CuSO4+2H2O=2Cu+O2+2H2SO4降低加CuO（CuCO3）放氢生碱活泼金属无氧酸盐盐+水---H2+非金属+碱2KCl+2H2O=H2+Cl2+2KOH升高加HCl(2)溶液电解pH变化规律若水中OH-在阳极放电生成O2,则阳极区溶液增生H+，pH降低;若水中H+在阴极放电生成H2,则阴极区溶液增生OH-，pH升高;总反应的结果，若溶液生成酸,则溶液pH降低；若生成碱，则pH升高。2.2电解的应用2.2.1电镀电镀装置:以镀层金属作阳极,镀件挂在阴极,含镀层金属离子的盐为电镀液。电镀特点：电镀过程中镀层金属离子浓度不变。2.2.2氯碱工业(1)立式隔膜电解槽的结构①阳极：由金属钛网（涂有钌氧化物制成）；②阴极：由碳钢网涂有Ni涂层）制成；③离子交换膜；电解槽框及导电铜。阳离子交换膜(2)阳离子交换膜的作用：阻止Cl-、OH-等阴离子及气体分子通过。这样可防止阴极产生的H2与阳极产生的Cl2混合而爆炸，也避免了Cl2与阴极产生的的NaOH作用生成NaClO而影响NaOH产品质量。(3)反应原理：阳极：2Cl--2e-=Cl2↑：阴极：2H++2e-=H2↑电解反应化学方程式2NaCl+2H2O==H2+Cl2+2NaOH离子方程式2Cl-+2H2O==H2+Cl2+2OH-(4)产品：NaOH、H2、Cl22.2.3电解精炼(电解精炼铜为例)（1）装置：阳极--粗铜；阴极—纯铜；电解质溶液--铜盐溶液(如CuSO4)（2）电极反应阳极：粗铜失电子放电“溶解”，Cu-2e-=Cu2+。粗铜中比铜活泼的金属溶解变成阳离子进入溶液，比铜活泼性差的金属如Au、Ag等贵重金属则落入阳极泥中。阴极：溶液中Cu2+得电子放电，Cu2++2e-=Cu生成的Cu沉积在阴极上而得到精铜。2.2.4电解法制铝3原电池与电解池的比较项目原电池电解池反应性质氧化还原反应自发进行的反应多为非自发，但也可以是自发反应装置性质化学能转为电能电能转为化学能电极名称负极和正极阴极和阳极电极反应式负极：失电子氧化反应阴极：得电子还原反应正极：得电子还原反应阳极：失电子氧化反应离子迁移方向阳离子移向正极，阴离子移向负极阳离子移向阴极，阴离子移向阳极4电化学试题解法指导4.1解题步骤方法①判断两池(原电池还是电解池)—②标注电极名称—③写出电极反应式—(根据电极产物、溶液成分变化)—④描述或解释现象或进行有关计算。[练4-01]把锌片和铁片放在盛有稀食盐水和酚酞试液混合溶液的玻璃皿中（如图所示平面图），经过一段时间后，首先观察到溶液变红的区域是（B）A、Ⅰ和Ⅲ附近B、Ⅰ和Ⅳ附近C、Ⅱ和Ⅲ附近D、Ⅱ和Ⅳ附近[解析]①判两池：通常有外接电源的装置是电解池,故左图为电解池,根据右图为两个活性不同金属浸在电解质溶液中可判断为原电池；②标电极名：左图由外接电源极性可知I为阴极，II为阳极；右图因Zn比Fe活泼，故III为负极，IV为正极。③写电极反应：左图中,阳极II：金属Fe优先氧化Fe-2e-=Fe2+；阴极I：水中氢放电：2H++2e-=H2；④现象及解释：因I区OH-增生，碱性，使酚酞变红。又右图，正极（IV）上电极反应：O2+4e-+2H2O=4OH-（吸氧腐蚀），该区域呈碱性使酚酞变红，B入选。[4-02]如图甲乙两池分别以碳棒、铂条、铝条、镁条为电极，并用导线相连接，以NaCl、NaOH溶液为电解溶液，有关该装置的描述正确的是(D)A.乙池中,Mg极的电极反应是Mg-2e-=Mg2+B.甲池中,Pt极的电极反应是2Cl—2e-=Cl2↑C.随着反应的进行.乙池中n(NaOH)保持不变D.反应过程中,甲池中两极附近溶液PH(C)PH(Pt)[解析]先判两池,乙为原电池，甲为电解池。乙池中，因为在NaOH溶液中Al比Mg易失电子，故Al为原电池的负极，其电极反应式为：Al-3e-+4OH-==AlO2-+2H2O；Mg为正极，其电极反应式为：3H2O+3e-=1.5H2↑+3OH-。甲池中,Pt电极为阴极:2H++2e-=H2↑,碳棒(C)电极为阳极2Cl--2e-=Cl2↑,电解后溶液为NaOH溶液。[练4-03]如图A、B为两个串联的电解池，已知B池中c为铁，d为石墨，电解质溶液为NaCl溶液。试回答：（1）