原电池与电解池综述.docx

1、原电池与电解池综述原电池与电解池原电池形成三条件 “三看”。先看电极两极为导体且活泼性不同再看溶液两极插入电解质溶液中三看回路形成闭合回路或两极接触。原理三要点1 相对活泼金属作负极失去电子发生氧化反应.2 相对不活泼金属或碳作正极得到电子发生还原反应3 导线中接触有电流通过使化学能转变为电能原电池与电解池的比较1定义 2形成条件原电池 化学能转变成电能的装置 合适的电极、合适的电解质溶液、形成回路电解池 电能转变成化学能的装置 电极、电解质溶液或熔融的电解质、外接电源、形成回路3电极名称 4反应类型 5外电路电子流向负极 氧化 负极流出、正极流入正极 还原阳极 氧化阴极 还原 阳极流出、阴极

2、流入一、原电池的有关问题1是否为原电池的判断(1)先分析有无外接电源有外接电源的为电解池无外接电源的可能为原电池然后依据原电池的形成条件分析判断主要是“四看”看电极两极为导体且存在活泼性差异(燃料电池的电极一般为惰性电极)看溶液两极插入溶液中看回路形成闭合回路或两极直接接触看本质有无氧化还原反应发生。(2)多池相连但无外接电源时两极活泼性差异最大的一池为原电池其他各池可看做电解池。2原电池正、负极的确定(1)由两极的相对活泼性确定相对活泼性较强的金属为负极相对活泼性较差的金属或导电的非金属为正极。一般负极材料与电解质溶液要能发生反应如MgAlHCl 溶液构成的原电池中负极为 Mg但 MgAlN

3、aOH 溶液构成的原电池中负极为 Al。(2)根据在两电极发生反应的物质的化合价的升降情况来判断。如甲醇燃烧电池顾名思义甲醇燃烧一般生成二氧化碳则碳的价态升高失电子。所以通入甲醇的电极为负极。(3)由电极变化情况确定某一电极若不断溶解或质量不断减少该电极发生氧化反应则此电极为负极若某一电极上有气体产生电极的质量不断增加或不变该电极发生还原反应则此电极为正极燃料电池除外。如ZnCCuSO4溶液构成的原电池中C 电极上会析出紫红色固体物质则 C 为此原电池的正极。(4)根据某些显色现象确定一般可以根据电极附近显色指示剂(石蕊、酚酞、湿润的淀粉、高锰酸钾溶液等)的变化情况来分析推断该电极发生的反应、

4、化合价升降情况、是氧化反应还是还原反应、是 H+还是 OH-或 I-等放电从而确定正、负极。(5)根据外电路中自由电子的运动方向规定在外电路中电子流出的电极叫负极电子流入的电极叫正极。(6)根据内电路中自由离子的运动方向规定在内电路中阳离子移向的电极叫负极阴离子移向的电极叫正极。3电极反应式的书写(1)如果题目给定的是图示装置先分析正、负极再根据正、负极反应规律去写电极反应式。(2)如果题目给定的是总反应式可分析此反应中的氧化反应或还原反应(即分析有关元素的化合价变化情况)荐选择一个简单变化情况去写电极反应式。另一极的电极反应式可直接写或将各反应式看做数学中的代数式用总反应式减去已写出的电极反

5、应式即可(加、减法)。加减法书写电池反应式归纳电池总反应还原剂+氧化剂+介质氧化产物+还原产物+其他负极还原剂ne-+介质氧化产物(还原剂失去电子发生氧化反应)正极氧化剂ne-介质还原产物(氧化剂得到电子发生还原反应)介质通常是定向移动到该电极附近的导电离子如 H+、OH-、H2O 等等若氧化(或还原)产物能与之发生复分解反应则其一般书写在电极方程式中。两个电极反应式相加即得电池总反应离子方程式用电池总反应离子方程式减去较简单电极的反应式即为较复杂电极的反应式。原电池反应式一般都可以用加、减法书写。书写时无论是总反应式还是电极反应式都既要满足电子转移守恒、电荷守恒又要满足质量守恒。4原电池的设

6、计方法以氧化还原反应为基础首先要确定原电池的正、负极电解质溶液及电极反应再利用基础知识书写电极反应式参照 ZnCuH2SO4 原电池模型处理问题。如根据反应Cu2FeCl32CuCl22FeCl2 设计一个原电池为Cu 作负极C(或 Pt)作正极。FeCl3 作电解质溶液负极反应为Cu2e-Cu2+正极反应为2Fe3+2e-2Fe2+。二、电解池的有关问题1电极的判断及反应的类型(1)看电源正、负极。若与电源负极相连则为阴极。(2)看电极周围元素价态的升降。若价态升高则为阳极。注意元素价态的升降的判断很多时候是从各种实验现象(如通过对气体成分的描述来判断)来推测反应产物而得出的。(3)看电子的

7、流向。若是电子流出的电极刚为阴极。注意一定不能根据两极活泼性的相对大小判断。(4)阳极若为活性电极则电极本身失电子发生氧化反应。阴极电极本身不反应(不论是惰性电极还是活性电极)。溶液中阳离子在阴极获得电子发生还原反应。2电解时电极产物的判断(1)阳极产物的判断首先看电极如果是活性电极(金属活动顺序表 Ag 以前)作阳极则电极材料失电子电极溶解。如果是惰性电极(Pt、Au、石墨)则只看溶液中的离子的失电子能力阴离子放电顺序为S2-I-Br-Cl-OH-(水)。(2)阴极产物的判断直接根据阳离子放电顺序(如下)进行判断Ag+Hg2+Fe3+(Fe2+)Cu2+H+Pb2+Sn2+Fe2+Zn2+(

8、H+)(水)记住几句话原电池失高氧负失电子化合价升高被氧化是负极得低还正得电子化合价降低被还原是正极电子从负极通过外电路到正极电解池氧阳还阴失电子被氧化做阳极得电子被还原做阴极由于外加电场的作用电解池中阳离子做定向移动由阳极移动到阴极产生电流阳极出氧卤阴极氢金属。盐的离子都放电离子浓度急速减盐的离子不放电水耗离子浓度添。酸根离子单放电产物必得卤氢碱金属离子单放电产物必得金氧酸。是记忆用惰性电极电解盐溶液时产物的口诀。一关于原电池和电解池两极的名称1.1原电池原电池的两极习惯上称为正负极这实际上是物理名称本质上是根据电子或电流的流向定义的。学生如果容易混淆可联系日常生活中的电池记忆是一个比较好的

9、方法。但须注意的是在金属防护中有一个“牺牲阳极的阴极保护法”不要记错。理解原电池的正负极如下几点可以是两种活泼性不同的金属电极可以是金属与非金属如石墨如化学电源中也可以都是惰性电极如燃料电池还可以是金属和金属氧化物如铅蓄电池而电解质则既可以是某电解质的水溶液也可能是熔融盐。2对于正、负极的判断 负极电子流出的一极本质电流流入的一极金属性相对较活泼的一极注意 Al 电极发生氧化反应的一极阴离子移向的一极被腐蚀的一极质量减小的一极燃料气体在其上面失电子的一极根据电极反应现象等。正极电子流入的一极本质电流流出的一极金属性相对较不活泼的一极发生还原反应的一极阳离子移向的一极被保护的一极产生气体获析出金

10、属的一极助燃气体在其上面得电子的一极根据电极反应现象等。2.判断电解池的电极名称与电极反应的关系电解池的两极习惯上称作阴、阳极这实际上是化学名称本质上根据外接电源或电解质溶液中阴、阳离子的移动方向确定的名称即所谓的“阴阳结合”-阴离子向阳极移动阳离子向阴极移动。可以用四个字概括阳-氧阴-还实际上只须记“阳氧”两个字就可以了其它的可以推理。二关于电极反应式的书写在电化学的学习中要紧紧抓住原电池和电解池的不同本质自发和非自发。1.对于原电池电极反应式和总反应式的书写方法一般是第一步判断正负极第二步根据负极及溶液中离子参加反应情况确定电极反应第三步将电极反应相加得总反应式。原电池的“加和法”必须掌握

11、有了这一法宝对于任何一个原电池反应只要先写出易写的一极反应式用总反应式减去其中一极的反应式就可得另一极的反应式注意电荷守恒。2.对于电解池电极反应和总反应式的书写方法一般是 第一步确定电极的材料及阴阳极第二步根据电极材料和溶液介质情况分析判断电极反应第三步将电极反应相加得总反应式注意有水被电解时的情况。三电解规律1.1惰性电极电解酸、碱、盐溶液就可以分为电解水型(例 NaOH)、分解电解质型(例 CuCl2)、放 H2 生碱型(例 NaCl)、放 O2 生酸型(例 CuSO4)等。如果上述方法不容易记忆容易混淆不妨干脆就重点记住常见阴阳离子的放电按顺序借助氧化还原知识更容易记用到时现推导即可。

12、2阴阳离子的放电按顺序阳极:金属阳极(Au、Pt 除外)S2I BrClOH含氧酸根离子和 F。阴极AgHgFe3Cu2Pb2HSn2Fe2Zn2HMg2NaCa2K。上述放电顺序分成四组即“阴前离子和阴后离子氢前离子和氢后离子”然后两两组合成可溶于水的电解质分析电解时的阴阳极放电情况就不难总结出电解规律。3规律位于前边的还原性强的微粒优先失去电子。只要有水含氧酸根离子和F-就不能失去电子。若阳极是活泼或较活泼金属时一般是电极的金属失去电子而不是电解液中阴离子放电。阳离子放电其顺序大体可参照金属活动顺序来推断。位于金属活动顺序表后面的金属其对应的阳离子越易得到电子 即位于前边的氧化性强的微粒优

13、先得到电子。只要有水一般 H+后面的离子不能得到电子。一般电解规律惰性电极可以概括为阳极无卤I2、Br2、Cl2有氧阴极前氢后金氢前析氢氢后析金需要特别注意的是电解一定要看好阳极材料若是活泼金属则是该金属放电。2电解后电解质溶液的复原到底加入何物质能够复原例如电解 CuSO4 溶液为什么要加 CuO 而不是Cu(OH)2?要从一个个的个例中总结出规律加入适量阴阳两极产物的化合物。总的来讲就是既要考虑“质”又要考虑“量”。这样就不难理解电解 CuSO4 溶液为什么要加 CuO 而不是 Cu(OH)2 了。那就是“消耗什么加什么消耗多少加多少”加显然多加了氢。3电解的计算是一个重点应用问题其常用的

14、解题方法可以归结为两种一是根据电解方程式或电极反应式列比例求解二是利用各电极、线路中转移的电子数目守恒列等式求解此法较为简便。关键是电子守恒特别要注意电极和电极名称要区分清楚电极产物要判断准确找准各产物间量的关系。四金属的腐蚀与防护金属的腐蚀与防护也多与电化学有关要注意结合电化学的相关原理及图像加以分析应用尽量多发掘生活中常见的例子加以巩固理解。例如图各容器中盛有海水铁在其中腐蚀时由快到慢的顺序是A BC D答案为 C。总结金属腐蚀的快慢判断方法电解原理引起的腐蚀原电池原理引起的腐蚀化学腐蚀有防腐蚀措施的腐蚀同一种金属腐蚀强电解质弱电解质非电解质溶液。相反地金属腐蚀的防护措施优劣顺序外加电源的

15、阴极保护法牺牲阳极的阴极保护法化学防护无防腐蚀措施。原电池原电池是利用两个电极之间金属性的不同,产生电势差,从而使电子的流动,产生电流.又称非蓄电池是电化电池的一种其电化反应不同逆转即是只能将化学能转换为电能简单说就即是不能重新储存电力与蓄电池相对。将化学能转变成电能的装置。所以根据定义普通的干电池、燃料电池都可以称为原电池。组成原电池的基本条件是将两种活泼性不同的金属(或石墨)(Pt 和石墨为惰性电极即本身不会得失电子用导线连接后插入电解质溶液中。电流的产生是由于氧化反应和还原反应分别在两个电极上进行的结果。一般情况下原电池中较活泼的金属做负极较不活泼的金属做正极。负极本身易失电子发生氧化反

16、应电子沿导线流向正极正极上一般为电解质溶液中的阳离子得电子发生还原反应。在原电池中外电路为电子导电电解质溶液中为离子导电。原电池 primary battery 一种将活性物质中化学能通过氧化还原反应直接转换成电能输出的装置。又称化学电池。由于各种型号的原电池氧化还原反应的可逆性很差放完电后不能重复使用故又称一次电池。它通常由正电极、负电极、电解质、隔离物和壳体构成可制成各种形状和不同尺寸使用方便。广泛用于工农业、国防工业和通信、照明、医疗等部门并成为日常生活中收音机、录音机、照相机、计算器、电子表、玩具、助听器等常用电器的电源。原电池一般按负极活性物质如锌、镉、镁、锂等和正极活性物质如锰、汞

17、、二氧化硫、氟化碳等分为锌锰电池、锌空气电池、锌银电池、锌汞电池、镁锰电池、锂氟化碳电池、锂二氧化硫电池等。锌锰电池产量最大常按电解质分为氯化铵型和氯化锌型并按其隔离层分为糊式电池和低极电池。以氢氧化钾为电解质的锌锰电池由于其负极(锌)的构造与其他锌锰电池不同而习惯上另作一类称为碱性锌锰电池简称碱锰电池1俗称碱性电池。原电池是一类使化学能直接转换成电能的换能装置。原电池连续放电或间歇放电后不能以反向电流充电的方法使两电极的活性物质回复到初始状态即电极活性物质只能利用一次。故亦称一次性电池。常见的原电池常用原电池有锌锰干电池、锌汞电池、锌银扣式电池及锂电池等。1 锌锰干电池锌锰电池具有原材料来源

18、丰富、工艺简单价格便宜、使用方便等优点成为人们使用最多、最广泛的电池品种。锌锰电池以锌为负极以二氧化锰为正极。按照基本结构锌锰电池可制成圆筒形、扣式和扁形扁形电池不能单个使用可组合叠层电池组。按照所用电解液的差别将锌锰电池分为三个类型(1)铵型锌锰电池电解质以氯化铵为主含少量氯化锌。电池符号ZnNH4ClZnCl2MnO2+总电池反应 Zn+2NH4Cl+2MnO2=Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)(2) 锌型锌锰电池又称高功率锌锰电池电解质为氯化锌具有防漏性能好能大功率放电及能量密度较高等优点是锌锰电池的第二代产品20 世纪 70 年代初首先由德国推出。与铵型电池相比锌型电池长时间放

19、电不产生水因此电池不易漏液。电池符号ZnZnCl2MnO2+总电池反应长时间放电Zn+2Zn(OH)Cl+6MnO(OH)=ZnCl22ZnO4H2O+2Mn3O4(3) 碱性锌锰电池这是锌锰电池的第三代产品具有大功率放电性能好、能量密度高和低温性能好等优点。电池符号ZnKOHMnO2+总电池反应 Zn+2H2O+2MnO2=2MnO(OH)+Zn(OH)2锌锰电池额定开路电压为 1.5V实际开路电压 1.51.8V 其工作电压与放电负荷有关负荷越重或放电电阻越小闭路电压越低。用于手电筒照明时典型终止电压为 0.9V某些收音机允许电压降至 0.75V。2锂原电池又称锂电池是以金属锂为负极的电池

20、总称。锂的电极电势最负相对分子质量最小导电性良好可制成一系列贮存寿命长工作温度范围宽的高能电池。根据电解液和正极物质的物理状态锂电池有三种不同的类型即固体正极有机电解质电池、液体正极液体电解质电池、固体正极固体电解质电池。Li(CF)n 的开路电压为 3.3V比能量为 480WhL-1工作温度在 -5570间在 20下可贮存 10 年之久它们都是近年来研制的新产品目前主要用于军事、空间技术等特殊领域在心脏起搏器等微、小功率场合也有应用。吸氧腐蚀金属在酸性很弱或中性溶液里空气里的氧气溶解于金属表面水膜中而发生的电化腐蚀叫吸氧腐蚀例如钢铁在接近中性的潮湿的空气中腐蚀属于吸氧腐蚀其电极反应如下负极F

21、eFe - 2e = Fe2+正极C2H2O + O2 + 4e = 4OH-钢铁等金属的电化腐蚀主要是吸氧腐蚀析氢腐蚀在酸性较强的溶液中发生电化腐蚀时放出氢气这种腐蚀叫做析氢腐蚀。在钢铁制品中一般都含有碳。在潮湿空气中钢铁表面会吸附水汽而形成一层薄薄的水膜。水膜中溶有二氧化碳后就变成一种电解质溶液使水里的 H+增多。是就构成无数个以铁为负极、碳为正极、酸性水膜为电解质溶液的微小原电池。这些原电池里发生的氧化还原反应是负极铁铁被氧化 Fe-2e=Fe2+正极碳溶液中的 H+被还原 2H+2e=H2这样就形成无数的微小原电池。最后氢气在碳的表面放出铁被腐蚀所以叫析氢腐蚀。析氢腐蚀定义金属在酸性较

22、强的溶液中发生电化腐蚀时放出氢气这种腐蚀叫做析氢腐蚀。原电池的形成条件原电池的工作原理原电池反应属于放热的氧化还原反应但区别于一般的氧化还原反应的是电子转移不是通过氧化剂和还原剂之间的有效碰撞完成的而是还原剂在负极上失电子发生氧化反应电子通过外电路输送到正极上氧化剂在正极上得电子发生还原反应从而完成还原剂和氧化剂之间电子的转移。两极之间溶液中离子的定向移动和外部导线中电子的定向移动构成了闭合回路使两个电极反应不断进行发生有序的电子转移过程产生电流实现化学能向电能的转化。从能量转化角度看原电池是将化学能转化为电能的装置从化学反应角度看原电池的原理是氧化还原反应中的还原剂失去的电子经导线传递给氧化

23、剂使氧化还原反应分别在两个电极上进行。原电池的构成条件有三个1电极材料由两种金属活动性不同的金属或由金属与其他导电的材料非金属或某些氧化物等组成。2两电极必须浸泡在电解质溶液中。3两电极之间有导线连接形成闭合回路。只要具备以上三个条件就可构成原电池。而化学电源因为要求可以提供持续而稳定的电流所以除了必须具备原电池的三个构成条件之外还要求有自发进行的氧化还原反应。也就是说化学电源必须是原电池但原电池不一定都能做化学电池。形成前提总反应为自发的氧化还原反应电极的构成a.活泼性不同的金属锌铜原电池锌作负极铜作正极b.金属和非金属非金属必须能导电锌锰干电池锌作负极石墨作正极c.金属与化合物铅蓄电池铅板

24、作负极二氧化铅作正极d.惰性电极氢氧燃料电池电极均为铂。电解液的选择电解液一般要能与负极材料发生自发的氧化还原反应。原电池正负极判断负极发生氧化反应失去电子正极发生还原反应得到电子。电子由负极流向正极电流由正极流向负极。 溶液中阳离子移向正极阴离子移向负极电极反应方程式的书写负极活泼金属失电子看阳离子能否在电解液中大量存在。如果金属阳离子不能与电解液中的离子共存则进行进一步的反应。例甲烷燃料电池中电解液为 KOH负极甲烷失 8 个电子生成 CO2 和 H2O但 CO2 不能与 OH-共存要进一步反应生成碳酸根。正极当负极材料能与电解液直接反应时溶液中的阳离子得电子。例锌铜原电池中电解液为 HC

25、l正极 H+得电子生成 H2。当负极材料不能与电解液反应时溶解在电解液中的 O2 得电子。如果电解液呈酸性O2+4e-+4H+=2H2O如果电解液呈中性或碱性O2+4e-+2H2O=4OH-。特殊情况:Mg-Al-NaOHAl 作负极。负极Al-3e-+4OH-=AlO2-+2H2O正极2H2O+2e-=H2+2OHCu-Al-HNO3Cu 作负极。注意Fe 作负极时氧化产物是 Fe2+而不可能是 Fe3+肼N2H4和 NH3 的电池反应产物是 H2O 和 N2无论是总反应还是电极反应都必须满足电子守恒、电荷守恒、质量守恒。pH 变化规律电极周围消耗 OH-(H+)则电极周围溶液的 pH 减小

26、增大反应生成 OH-(H+)则电极周围溶液的 pH 增大减小。溶液若总反应的结果是消耗 OH-(H+)则溶液的 pH 减小增大若总反应的结果是生成 OH-(H+)则溶液的 pH 增大减小若总反应消耗和生成 OH-(H+)的物质的量相等则溶液的 pH 由溶液的酸碱性决定溶液呈碱性则 pH 增大溶液呈酸性则 pH 减小溶液呈中性则 pH 不变。常用原电池方程式1CuH2SO4Zn 原电池正极 2H+ + 2e- = H2负极 Zn - 2e- = Zn2+总反应式 Zn + 2H+ = Zn2+ + H22CuFeCl3C 原电池正极 2Fe3+ + 2e- = 2Fe2+负极 Cu - 2e-

27、= Cu2+总反应式 2Fe3+ + Cu = 2Fe2+ + Cu2+3钢铁在潮湿的空气中发生吸氧腐蚀正极O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-负极2Fe - 4e- = 2Fe2+总反应式2Fe + O2 + 2H2O = 2Fe(OH)24氢氧燃料电池中性介质正极O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-负极2H2 - 4e-= 4H+总反应式2H2 + O2 = 2H2O5氢氧燃料电池酸性介质正极O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O负极2H2 - 4e-= 4H+总反应式2H2 + O2 = 2H2O6氢氧燃料电池碱性介质正极O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-负

28、极2H2 - 4e- + 4OH- = 4H2O总反应式2H2 + O2 = 2H2O7铅蓄电池放电正极 (PbO2) PbO2 + 2e- + SO42- + 4H+ = PbSO4 + 2H2O负极 (Pb) Pb- 2e-+ SO42-= PbSO4总反应式Pb+PbO2+4H+ 2SO42- = 2PbSO4 + 2H2O8AlNaOHMg 原电池正极6H2O + 6e- = 3H2 + 6OH-负极2Al - 6e- + 8OH- = 2AlO2- + 4H2O总反应式2Al+2OH-+2H2O=2AlO2- + 3H29CH4 燃料电池(碱性介质)正极2O2 + 4H2O + 8e- = 8OH-负极CH4 -8e- + 10OH- = CO32- + 7H2O总反应式CH4 + 2O2 + 2OH- = CO32- + 3H2O10熔融碳酸盐燃料电池Li2CO3 和 Na2CO3 熔融盐作电解液CO