原电池、电解原理及其应用

23(1)了解原电池原理。初步了解化学电源。了解化学腐蚀与电化学腐蚀及一般防腐蚀方法。(2)理解电解原理。了解铜的精炼、镀铜、氯碱工业反应原理。电化学的内容是历年高考的重要知识点之一，主要以选择题的形式出现，考查的内容有：原电池、电解池、电镀池的电极名称及根据总反应方程式书写原电池各电极反应式、根据电解时电极变化判断电极材料或电解质种类、根据反应式进行计算、与电解池及电镀池、精炼池进行综合考查、提供反应方程式设计原电池、提供电极材料和电解质溶液进行原电池是否形成的判断、与图像进行结合考查各电极上质量或电解质溶液溶质质量分数的变化等。其中原电池的工作原理及其电极反应式的书写、电解产物的判断和计算是高考命题的热点。4一、原电池、电解池、电镀池的比较原电池电解池电镀池定义将化学能转化成电能的装置将电能转化成化学能的装置应用电解原理在某些金属表面镀上一层其他金属的装置装置5原电池电解池电镀池形成条件①活泼性不同的两电极②电解质溶液③形成闭合回路①两电极接直流电源②两电极插入电解质溶液中③形成闭合回路①镀层金属接电源正极，作为阳极；待镀金属接电源负极，作为阴极②电镀液必须含有镀层金属的离子电极名称负极：较活泼金属正极：较不活泼金属(或能导电的非金属)阳极：与电源正极相连阴极：与电源负极相连名称同电解池，但有限制条件阳极：必须是镀层金属阴极：镀件(待镀的物件)6原电池电解池电镀池电极反应负极：氧化反应(负失氧)正极：还原反应(正得还)，原电池的电极反应较为复杂，不易总结出明显的规律特征阳极：氧化反应，溶液中的阴离子或金属电极失电子(阳失氧)阴极：还原反应，一定是溶液中的阳离子得电子(阴得还)阳极：氧化反应，金属电极失电子，并不断溶解(阳失氧)阴极：还原反应，电镀液中的镀层金属阳离子得电子(阴得还)7原电池电解池电镀池电子流向(外电路)负极→正极负极→阴极→阳极→正极同电解池电流方向(外电路)正极→负极正极→阳极→电解质溶液→阴极→负极同电解池对比电解质导电的过程实质上就是电解过程；电解是在外电源的作用下被迫发生氧化还原的过程，把电能转化为化学能，而在原电池中正好相反，是自发的氧化还原反应的过程，把化学能转化为电能8二、电解规律(用惰性电极，带*号的例外)及溶液pH的变化类型电解质(水溶液)被电解的物质电极产物溶液pH变化的原因、结果电解质复原阳极阴极电解水型含氧酸(如H2SO4)水O2H2水减少，酸溶液的浓度增大，pH减小加H2O9类型电解质(水溶液)被电解的物质电极产物溶液pH变化的原因、结果电解质复原阳极阴极电解水型强碱(如NaOH)水O2H2水减少，碱溶液的浓度增大，pH增大加H2O活泼金属的含氧酸盐(如KNO3、Na2SO4)水O2H2水减少，盐溶液的浓度增大，pH不变或略减小(若为水解的盐)加H2O10类型电解质(水溶液)被电解的物质电极产物溶液pH变化的因、结果电解质复原阳极阴极电解电解质型无氧酸(如HCl)，除HF外酸非金属单质(如Cl2)H2H+放电，c(H+)降低，pH增大加酸(如HCl)不活泼金属的无氧酸盐(如CuCl2)，除氟化物外盐非金属单质(如Cl2)金属单质(如Cu)pH基本不变；但严格意义上对水解有影响。pH略为增大加盐(如CuCl2)11类型电解质(水溶液)被电解的物质电极产物溶液pH变化的原因、结果电解质复原阳极阴极放H2生碱型活泼金属的无氧酸盐(如NaCl)水和盐非金属单质(如Cl2)H2H+放电，[H+]减小，[OH-]增大，pH增大加酸(如HCl)放O2生酸型不活泼金属的含氧酸盐(如CuSO4)水和盐O2金属单质(如Cu)OH-放电，[OH-]降低，[H+]增大，pH减小加氧化物(如CuO)电镀型*电镀液——溶解阳极金属析出电镀液组成基本未变，pH不变——12三、电解池及原电池的应用——金属的防护2．金属的防护方法(1)改变金属内部结构；(2)覆盖保护层；(3)电化学保护法：外加电源的阴极保护法，牺牲阳极的阴极保护法。1．金属腐蚀快慢的判断电解原理引起的腐蚀原电池原理引起的腐蚀无外界条件的正常腐蚀用原电池防腐蚀措施的腐蚀用电解原理防腐。13一、了解化学电池【例1】(2011·全国新课标)铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为：Fe＋Ni2O3＋3H2O＝Fe(OH)2＋2Ni(OH)2，下列有关该电池的说法不正确的是()A．电池的电解液为碱性溶液，正极为Ni2O3、负极为FeB．电池放电时，负极反应为Fe＋2OH－－2e－＝Fe(OH)2C．电池充电过程中，阴极附近溶液的pH降低D．电池充电时，阳极反应为2Ni(OH)2＋2OH－－2e－＝Ni2O3＋3H2O14答案：C【解析】由放电时的反应可以得出铁作还原剂失去电子，Ni2O3作氧化剂得到电子，因此选项A、B均正确；充电可以看作是放电的逆过程，即阴极为原来的负极，电池放电时，负极反应为：Fe＋2OH－－2e－＝Fe(OH)2，所以电池充电过程时阴极反应为Fe(OH)2＋2e－＝Fe＋2OH－，因此电池充电过程中，阴极附近溶液的pH会升高，C不正确；同理分析选项D正确。15【变式练习1】(2010·全国Ⅰ)下图是一种染料敏化太阳能电池的示意图。电池的一个电极由有机光敏染料(S)涂覆在TiO2纳米晶体表面制成，另一电极由导电玻璃镀铂构成，电池中发生的反应为：TiO2/STiO2/S*(激发态)TiO2/S*TiO2/S++e-I+2e-3I-2TiO2/S++3I-2TiO2/S+I3-hv16下列关于该电池叙述错误的是()A．电池工作时，I－在镀铂导电玻璃电极上放电B．电池工作时，是将太阳能转化为电能C．电池的电解质溶液中I－和I的浓度不会减少D．电池中镀铂导电玻璃为正极答案：A【例2】(2011·浙江)将NaCl溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后发现液滴覆盖的圆圈中心区(a)已被腐蚀而变暗，在液滴外沿形成棕色铁锈环(b)，如图所示。导致该现象的主要原因是液滴之下氧气含量比边缘处少。下列说法正确的是()17二、了解化学腐蚀与电化学腐蚀及一般防腐蚀方法A．液滴中的Cl－由a区向b区迁移B．液滴边缘是正极区，发生的电极反应为：O2＋2H2O＋4e－＝4OH－C．液滴下的Fe因发生还原反应而被腐蚀，生成的Fe2＋由a区向b区迁移，与b区的OH－形成Fe(OH)2，进一步氧化、脱水形成铁锈D．若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加NaCl溶液，则负极发生的电极反应为：Cu－2e－＝Cu2＋1819【解析】A项错误，Cl－由b区向a区迁移。B项正确，液滴边缘O2多，正极发生反应O2＋2H2O＋4e－＝4OH－。C项错误，液滴下的Fe为负极发生氧化反应，Fe－2e－＝Fe2＋。D项错误，Cu更稳定，作正极，反应为O2＋2H2O＋4e－＝4OH－，Fe为负极。答案：Ｂ20三、理解电解原理【例3】(2011·广东)某小组为研究电化学原理，设计如下图装置。下列叙述不正确的是()A．a和b不连接时，铁片上会有金属铜析出B．a和b用导线连接时，铜片上发生的反应为：Cu2＋＋2e－＝CuC．无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色D．a和b分别连接直流电源正、负极，电压足够大时，Cu2＋向铜电极移动21答案：Ｄ【解析】本题考查原电池、电解池的原理、判断及其应用。若a和b不连接，则不能构成原电池，单质铁直接与Cu2＋发生氧化还原反应而置换出铜，方程式为：Fe＋Cu2＋＝Fe2＋＋Cu，A正确；若a和b用导线连接，则构成原电池，此时铁作负极，铜作正极，电极反应式分别为：Fe－2e－＝Fe2＋、Cu2＋＋2e－＝Cu，B正确；由A、B分析可知，选项C是正确的；若a和b分别连接直流电源正、负极，则构成电解池，此时铜作阳极失去电子被氧化，铁作阴极，在电解池中阳离子向阴极运动，因此选项D是错误的。22四、原电池原理和电解原理的综合运用【例４】(2011·山东)科研、生产中常涉及钠、硫及其化合物。(1)实验室可用无水乙醇处理少量残留的金属钠，化学反应方程式为________________________________________________________________________。要清洗附着在试管壁上的硫，可用的试剂是__________。23(2)右图为钠硫高能电池的结构示意图，该电池的工作温度为320℃左右，电池反应为2Na＋xSNa2Sx，正极的电极反应式为__________________________________。M(由Na2O和Al2O3制得)的两个作用是__________________________________。与铅蓄电池相比，当消耗相同质量的负极活性物质时，钠硫电池的理论放电量是铅蓄电池的__________倍。24(3)Na2S溶液中离子浓度由大到小的顺序为__________________________________________，向该溶液中加入少量固体CuSO4，溶液pH__________(填“增大”、“减小”或“不变”)，Na2S溶液长期放置有硫析出，原因为(用离子方程式表示)____________________________________________________。25【解析】以科研、生产中常涉及的钠、硫及其化合物等知识为载体，让学生用已有的知识解决日常生活和实验中遇到的问题，重点考查了元素化合物性质、原电池、氧化还原反应、溶液中离子浓度大小比较等核心知识。(1)乙醇可以与钠缓慢反应；硫易溶于CS2，也可以与热氢氧化钠溶液反应生成易溶于水的物质。(2)由电池反应2Na＋xS＝Na2Sx可知，正极发生还原反应的物质是S。26【解析】以科研、生产中常涉及的钠、硫及其化合物等知识为载体，让学生用已有的知识解决日常生活和实验中遇到的问题，重点考查了元素化合物性质、原电池、氧化还原反应、溶液中离子浓度大小比较等核心知识。(1)乙醇可以与钠缓慢反应；硫易溶于CS2，也可以与热氢氧化钠溶液反应生成易溶于水的物质。(2)由电池反应2Na＋xS＝Na2Sx可知，正极发生还原反应的物质是S。M(由Na2O和Al2O3制得)是一种离子化合物，在熔融状态下导电，同时钠与硫在常温下就能反应，用M将电池隔离成两个室。当消耗相同质量(设为m)钠和铅时，钠硫电池的理论输出电子的物质的量为n1＝（m／23）×1，n2＝（m／207）×2，故n1∶n2＝4.5。27答案：(1)2CH3CH2OH＋2Na2CH3CH2ONa＋H2↑CS2[或(热)NaOH溶液](2)xS＋2e－＝Sx2－①电解质，②隔离钠和硫4.5(3)c(Na＋)＞c(S2－)＞c(OH－)＞c(HS－)＞c(H＋)减小2S2－＋O2＋2H2O2S↓＋4OH－(3)Na2S溶液中存在下列电离和水解Na2S＝2Na＋＋S2－，H2OH＋＋OH－，S2－＋H2OHS－＋OH－，HS－＋H2OH2S＋OH－，所以离子浓度大小顺序为c(Na＋)c(S2－)c(OH－)c(HS－)c(H＋)；Na2S溶液中由于S2－水解而呈碱性，向其中加入少量固体CuSO4后，发生离子反应S2－＋Cu2＋＝CuS↓使c(S2－)减小，故碱性减弱。