1第5讲原电池电解池原理与电极反应方程式

第1页共9页第5讲原电池、电解池原理与电极反应方程式一、原电池的工作原理１．概念：原电池是把化学能转化为电能的装置。２．一般构成条件：①自发进行的氧化还原反应。②两个电极（一极反应或两极都不反应）。③电解质溶液（构成回路或参与反应）。④形成闭合回路（导线连接或两极接触）。例1．在下图的8个装置中，属于原电池的是哪几个?【答案】④⑥⑦３．电极名称及电极反应。负极：金属较活泼，失去电子，电子流出，发生氧化反应。正极：金属较不活泼，得到电子，电子流入，发生还原反应。举例：铜锌原电池材料电极反应电极现象正极Cu2H++2e－=H2↑有气体产生负极ZnZn－2e－=Zn2+锌棒变细总离子反应式Zn+2H+=Zn2++H2↑总化学反应式Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑闭合回路中电子从Zn到Cu，电流从Cu到Zn；电解质溶液中：阴离子（SO42－）移向Zn极，阳离子（H+）移向Cu极。例2．在如图所示的铜锌原电池中：Zn为负极，Cu为正极；负极上发生氧化反应，电极反应式为Zn－2e－=Zn2+，正极上发生还原反应，电极反应式为Cu2++2e－=Cu；电子流出的极是Zn极，电子流入的极是Cu极；电流方向由Cu到Zn。盐桥中的盐溶液是KCl溶液，其作用为提供定向移动的阴、阳离子。盐桥中的Cl－会移向ZnSO4溶液，K+移向CuSO4溶液，使ZnSO4溶液和CuSO4溶液均保持电中性。该原电池工作一段时间后，两电极的质量将会Zn极减小，Cu极增加。４．设计原电池：例3．铁及铁的化合物应用广泛，如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。（1）写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式。第2页共9页（2）若将（1）中的反应设计成原电池，请画出装置图，标出正、负极，并写出电极反应式。负极反应：正极反应：【答案】（1）2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+（2）负极反应：Cu－2e－=Cu2+正极反应：2Fe3++2e－=2Fe2+５．原电池正负极的判断及电极方程式的书写用双线桥分析氧化还原反应，失电子的是负极，得电子的是正极。例4．将表面去掉氧化膜的镁片与铝片用带电流表的导线连接，插入盛有烧碱溶液的烧杯中，此时发现电流计指针偏转，判断此原电池的正负极，并写出电极反应式和总反应方程式。正极，电极反应式，负极，电极反应式，总反应。【解析】发生的氧化还原反应方程式为2Al+2NaOH+2H2O＝2NaAlO2+3H2↑所以Al作负极失去电子，Al-3e-=Al3+，Al3++3OH-=Al(OH)3↓，+）Al(OH)3-+OH-=AlO2-+2H2OAl-3e-+4OH-=AlO2-+2H2OMg正极，表面生成H2，2H2O+2e-=H2↑+2OH-[Al-3e-+4OH-=AlO2-+2H2O]×2+)[2H2O+2e-=H2↑+2OH-]]×32Al+2NaOH+2H2O＝2NaAlO2+3H2↑【答案】正极Mg，电极反应式：Al-3e-+4OH-=AlO2-+2H2O负极Al，电极反应式：2H2O+2e-=H2↑+2OH-总反应：2Al+2NaOH+2H2O＝2NaAlO2+3H2↑６．发展中的化学电源及电极反应式的书写【解析】电极反应式的书写：考虑电解质参与电极反应，负极+正极=总反应（1）一次电池（不能充电，不能反复使用）如碱性锌锰电池：电解质为KOH第3页共9页总反应：Zn+2MnO2+2H2O＝2MnO(OH)+Zn(OH)2，则负极：正极：【答案】负极：Zn－2e－+2OH－=Zn(OH)2正极：2MnO2+2e－+2H2O＝2MnO(OH)+2OH－（2）二次电池（可充电，可多次重复使用）如铅蓄电池，H2SO4作电解液，总反应为：放电时，总反应：Pb+PbO2+2H2SO4＝2PbSO4+2H2O负极：正极：充电时，总反应：2PbSO4+2H2O＝Pb+PbO2+2H2SO4阴极：阳极：【答案】负极：Pb－2e－+SO42－=PbSO4正极：PbO2+2e－+4H++SO42－＝PbSO4+2H2O阴极：PbSO4+2e－=Pb－2e－+SO42－阳极：PbSO4+2H2O－2e－＝PbO2+4H++SO42－（3）燃料电池氢氧燃料电池①用酸性电解质时：负极：正极：总反应：2H2+O2＝2H2O【答案】负极：H2－2e－=2H+正极：O2+4e－+4H+＝2H2O②用NaOH等碱性溶液时：负极：正极：总反应：2H2+O2＝2H2O【答案】第4页共9页负极：H2－2e－+2OH－=2H2O正极：O2+4e－+2H2O＝4OH-CH4燃料电池：电解质为KOH负极：正极：总反应：CH4+2O2+2OH－＝CO32－+3H2O【答案】负极：CH4－8e－+10OH－=CO32－+7H2O正极：2O2+8e－+4H2O＝8OH-CH3OH燃料电池：电解质为KOH负极：正极：总反应：2CH3OH+3O2+4OH－＝2CO32－+6H2O【答案】负极：2CH3OH－12e－+16OH－=2CO32－+12H2O正极：3O2+12e－+6H2O＝12OH-例5．固体氧化物燃料电池是由美国西屋（Westinghouse）公司研制开发的。它以固体氧化锆一氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子（O2－）在其间通过。该电池的工作原理如图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是（）A．该电池的总反应方程式为：2H2＋O2高温2H2OB．有氢气进入发生反应的b极为电池的正极C．a极对应的电极反应为：O2＋2H2O＋4e－＝4OH－D．有氧气进入发生反应的a极为电池的负极【答案】A第5页共9页二、电解池的工作原理１．概念：电解池是把电能转化为化学能的装置。２．一般构成条件：①直流电源。②两个电极（Ag及其之前的金属作阳极时失电子）。③电解质溶液或熔融电解质（参与反应）④形成闭合回路。３．电极名称及电极反应。阴极：与电源负极相连，阳离子流入，得电子，发生还原反应。放电顺序：Na＋Zn2＋Pb2＋H＋Cu2＋Fe3＋Ag＋阳极：与电源正极相连，阴离子流入，失电子，发生氧化反应。金属电极S2－I－Br－Cl－OH－含氧酸根４．电解CuCl2溶液的分析电极材料及存在离子电极反应电极现象阴极C、Cu2+、H+Cu2++2e－=Cu有红色固体析出阳极C、Cl－、OH－2Cl－－2e－=Cl2↑有刺激性气味气体产生总离子反应式Cu2++2Cl－通电Cu+Cl2↑总化学反应式CuCl2通电Cu+Cl2↑闭合回路中电子从负极流出，通过外电路流回到正极；电流从正极流出，通过外电路流回到负极；电解质溶液中：阴离子（如Cl－）移向阳极，阳离子如（H+）移向阴极。例1．分别写出用惰性电极电解下列物质水溶液的电极方程式和总反应式。电解质电极存在的离子电极反应总反应式HCl阴极H+2H++2e－=H2↑2HCl通电H2↑+Cl2↑阳极Cl－、OH－2Cl－－2e－=Cl2↑CuCl2阴极Cu2+、H+Cu2++2e－=CuCuCl2通电Cu+Cl2↑阳极Cl－、OH－2Cl－－2e－=Cl2↑NaCl阴极Na+、H+2H++2e－=H2↑2NaCl+2H2O通电H2↑+Cl2↑+2NaOH阳极Cl－、OH－2Cl－－2e－=Cl2↑AgNO3阴极Ag+、H+4Ag++4e－=4Ag4AgNO3+2H2O通电4Ag+O2↑+4HNO3阳极NO3－、OH－4OH－-4e－=O2↑+2H2OKOH阴极K+、H+4H++4e－=2H2↑2H2O通电H2↑+O2↑阳极OH－4OH－-4e－=O2↑+2H2OHNO3阴极H+4H++4e－=2H2↑2H2O通电H2↑+O2↑阳极NO3－、OH－4OH－-4e－=O2↑+2H2O第6页共9页５．电解池的实验设计例２．设计实验实现Cu+H2SO4＝CuSO4+H2↑，画出装置图，写出电极反应方程式。【答案】阴极：2H++2e－=H2↑阳极：Cu-2e－=Cu2+６．重要的电解工业生产：生产电极及材料电解液存在的离子电极反应总反应式制Na阴极熔融NaClNa+2Na++2e－=2Na2NaCl通电2Na+Cl2↑阳极Cl－2Cl－－2e－=Cl2↑制Mg阴极熔融MgCl2Mg2+Mg2++2e－=MgMgCl2通电Mg+Cl2↑阳极Cl－2Cl－－2e－=Cl2↑制Al阴极熔融Al2O3Al3+4Al3++12e－=4Al2Al2O3通电4Al+3O2↑阳极O2－6O2－-12e－=3O2↑氯碱工业阴极饱和食盐水Na+、H+2H++2e－=H2↑2NaCl+2H2O通电H2↑+Cl2↑+2NaOH阳极Cl－、OH－2Cl－－2e－=Cl2↑电解精炼铜阴极：精铜CuSO4溶液Cu2+、Fe2+、H+……Cu2++2e－=Cu/阳极：粗铜SO42－、OH－Cu-2e－=Cu2+铁器件电镀铜阴极：铁器件CuSO4溶液Cu2+、H+Cu2++2e－=Cu/阳极：精铜SO42－、OH－Cu-2e－=Cu2+例3．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【答案】D第7页共9页例4．氨碱厂电解饱和食盐水制取NaOH的工艺流程示意图如下：依据上图，完成下列填空：（1）在电解过程中，与电源正极相连的电极上所发生反应的化学方程式为，与电源负极相连的电极附近，溶液pH（选填“不变”“升高”或“下降”）。（2）工业食盐含Ca2+、Mg2+等杂质。精制过程发生反应的离子方程式为、。（3）如果粗盐中SO42－含量较高，必须添加钡试剂除去SO42－，该钡试剂可以是（选填A，B，C多选扣分)。A．Ba(OH)2B．Ba(NO3)2C．BaCl2（4）为有效除去Ca2+、Mg2+、SO42－，加入试剂的合理顺序为（选填A、B、C多选扣分）。A．先加NaOH，后加Na2CO3，再加钡试剂B．先加NaOH，后加钡试剂，再加Na2CO3C．先加钡试剂，后加NaOH，再加Na2CO3（5）脱盐工序中利用NaOH和NaCl在溶解度上的差异，通过、冷却、（填写操作名称）除去NaCl。（6）在隔膜法电解食盐水时，电解槽分隔为阳极区和阴极区，防止Cl2与NaOH反应；采用无隔膜电解冷的食盐水时，Cl2与NaOH充分接触，产物仅是NaClO和H2，相应的化学方程式为。【答案】D（1）2Cl－－2e－=Cl2↑，升高（2）Ca2++CO32－=CaCO3↓、Mg2++2OH－=Mg(OH)2↓（3）AC（4）BC（5）加热蒸发、过滤（6）NaCl+H2O通电NaClO+H2↑或2NaCl+2H2O通电H2↑+Cl2↑+2NaOH，Cl2+2NaOH====NaCl+NaClO+H2O第8页共9页三、金属的电化学腐蚀及防护１．析氢腐蚀：在金属外面的水膜呈较强酸性时发生析氢腐蚀。以钢铁为例：Fe（负极）：Fe－2e－=Fe2+C（正极）：2H++2e－=H2↑总反应式：Fe+2H+=Fe2++H2↑２．吸氧腐蚀：在金属外面的水膜呈中性、碱性，溶解一定量O2时发生吸氧腐蚀。以钢铁为例：Fe（负极）：2Fe－4e－=2Fe2+C（正极）：O2+4e－+2H2O=4OH－总反应式：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2氧化过程：4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3脱水过程：2Fe(OH)3△Fe2O3+3H2O铁锈的主要成分是Fe2O3·xH2O３．金属的防护防止钢铁腐蚀的措施有：（1）加保护层（如涂油漆、电镀金属锌、铬，包裹塑料等）；（2）制成合金（如不锈钢等）；（3）电化学防护①将要保护的金属设计成原电池的正极，即接更活泼的金属构成原电池。②将要保护的金属设计成电解池的负极，即接在电源的负极构成电