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专题七电化学整理

电化学

【考纲要求】

1.了解原电池的工作原理,能写出电极反应和电池反应方程式。

2.了解常见的化学电源的种类及其工作原理。

3.了解电解池的工作原理,能写出电极反应和电池反应方程式。

4.理解金属发生电化学腐蚀的原因,金属腐蚀的危害,防止金属腐蚀的措施。

知识要点

一.原电池

1、原电池原理

(1)原电池工作时,其本质是通过自发进行的氧化还原反应,使反应中电子转移而产生电流。

反应中的氧化反应和还原反应分别在两个电极上发生,这便形成了带电粒子按一定方向流动的闭合回路。

(2)原电池工作原理示意图

2.正、负极的判断

3.电极反应式的书写

(1)一般电极反应式的书写

(2)复杂电极反应式的书写

复杂电极反应式=总反应式—较简单一极的电极反应式

典例分析

例1.铜锌原电池(如图)工作时,有关叙述正确的是(  )

A.正极反应为Zn-2e-===Zn2+B.电池反应为Zn+Cu2+===Zn2++Cu

C.在外电路中,电子从正极流向负极D.盐桥中的K+移向ZnSO4溶液

解析:

原电池中活泼金属做负极,负极发生氧化反应。

所以Zn是负极,反应电极方程式为:

Zn-2e-===Zn2+,阳离子增加,盐桥中阴离子移向该溶液。

电子从负极流向正极。

答案选B。

例2:

二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点,其能量密度高于甲醇直接燃料电池(5.93kW·h·kg-1)。

若电解质为酸性,二甲醚直接燃料电池的负极反应为_____________,一个二甲醚分子经过电化学氧化,可以产生________个电子的电量;该电池的理论输出电压为1.20V,能量密度E=________________(列式计算。

能量密度=电池输出电能/燃料质量,1kW·h=3.6×106J)。

解析:

二甲醚直接燃料电池的总反应为CH3OCH3+3O2===2CO2+3H2O,负极反应式的书写步骤:

第一步先写反应物、生成物:

CH3OCH3——2CO2;

第二步写明转移电子数:

CH3OCH3-12e-——2CO2;

第三步配平:

3H2O+CH3OCH3-12e-===2CO2+12H+。

1mol二甲醚被氧化生成2molCO2,失12NA个电子,故1个二甲醚分子转移12个电子。

据能量密度=电池输出电能/燃料质量,若燃料质量为1kg,则:

÷(3.6×106J·kW-1·h-1)≈8.39kW·h·kg-1

【答案】 

(1)CH3OCH3+3H2O===2CO2+12H++12e- 12

÷(3.6×106J·kW-1·h-1)≈8.39kW·h·kg-1

书写电极反应注意:

书写电极反应式时,正负极的判断是关键,看两极与电解质溶液得、失电子而快速推断出正、负极,同时还应充分注意介质与电极生成物的反应:

①负极生成的金属离子在碱性溶液中能与OH-反应生成难溶性碱,如在碱性条件下,钢铁腐蚀中负极生成的Fe2+与溶液中的OH-结合生成Fe(OH)2;②在碱性条件下电极析出的CO2能与OH-反应生成CO

等。

二、常见的化学电源

1.一次电池,干电池(锌锰电池)酸性

纽扣银锌:

例。

MnO2和NH4+如下图锌锰干电池在放电时总反应方程式可以表示为:

Zn+2MnO2+2NH4+=Zn2+ +Mn2O3+2NH3↑+H2O,在此电池放电时正极(碳棒)上发生反应的物质是

A.Zn B.碳C.MnO2+NH4+D.Zn2+和NH3

电极反应:

a.负极:

Zn-2e-=Zn2+b.正极反应的是___________________________

一次电池(以碱性锌锰电池为例)总反应为:

Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2

负极:

___________________________。

正极:

___________________________

2.二次(可逆)电池,可充电电池:

铅蓄电池是最常见的二次电池,总反应为:

Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2OPb+PbO2+4H++2SO42-

2PbSO4+2H2O

放电时电极反应:

锂电池①结构:

锂、石墨、固态碘作电解质。

②A电极反应负极:

2Li-2e-=2Li+正极:

I2+2e-=2I-总式:

2Li+I2=2LiI

BMnO2做正极时:

负极:

2Li-2e-=2Li+正极:

MnO2+e-=MnO2-总Li+MnO2=LiMnO2

锂电池优点:

体积小,无电解液渗漏,电压随放电时间缓慢下降,应用:

心脏起搏器,手机电池,电脑电池。

3.氢氧燃料电池:

它是一种高效、不污染环境的发电装置。

它的电极材料一般为活性电极,具有很强的催化活性,如铂电极,活性炭电极等。

氢燃料电池的工作原理是:

负极氢气被氧化失去电子,或称“燃烧掉了”。

电子流到电池的正极,在正极,与氧气发生反应并从正极吸收电子。

这一反应的产品是电流、热量和水。

氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池,可分酸性和碱性两种:

负极反应式正极反应式电池总反应:

酸性:

2H2-4e-=4H+O2+4H++4e-=2H2O2H2+O2=2H2O

碱性:

2H2+4OH--4e-=4H2OO2+2H2O+4e-=4OH-

中性:

新型燃料电池:

该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极,又在两极上分别通甲烷和氧气。

总反应:

CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O电极反应:

负极:

正极:

3O2+6H2O+12e-=12OH-CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O

4.空气电池以铝—空气—海水电池为能源的新型海水标志灯已研制成功。

这种灯以取之不尽的海水为电解质溶液,靠空气中的氧气使铝不断氧化而源源不断产生电流。

只要把灯放入海水中,数分钟后就会发出耀眼的闪光,其能量比干电池高20~50倍。

电极反应:

铝是负极;石墨是正极4Al-12e-=4Al3+2O2+4H2O+8e-=8OH-

例.(选一选)下列有关电池的叙述不正确的是(  )

A.手机用的锂离子电池属于二次电池B.铜锌原电池工作时,电子沿外电路从铜流向锌

C.甲醇燃料电池可把化学能转化为电能D.锌锰干电池中,锌电池是负极

练3.Li-SOCl2电池可用于心脏起搏器。

该电池的电极材料分别为锂和碳,电解液是LiAlCl4-SOCl2。

电池的总反应可表示为4Li+2SOCl2=4LiCl+S+SO2。

请回答下列问题:

(1)电池的负极材料为_______,发生的电极反应为_________________。

(2)电池正极发生的电极反应为________________________。

二:

原电池原理的应用

1.加快氧化还原反应的速率

一个自发进行的氧化还原反应,设计成原电池时反应速率增大。

例如,在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。

2.比较金属活动性强弱

在酸性(非氧化性酸)电解质溶液中,两种金属分别作原电池的两极时,作负极的金属比作正极的金属活泼。

3.用于金属的防护

使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。

例如,要保护一个铁制的输水管道或钢铁桥梁等,可将锌与其相连,使锌作原电池的负极。

如根据以下反应设计的原电池:

原理

装置图

化学反应:

CuCl2+Fe==FeCl2+Cu

还原剂:

Fe;氧化剂:

CuCl2

电极反应:

负极:

Fe-2e-==Fe2+

正极:

Cu2++2e-==Cu

典例分析

例3:

(1)能量之间可以相互转化:

电解食盐水制备Cl2是将电能转化为化学能,而原电池可将化学能转化为电能。

设计两种类型的原电池,探究其能量转化效率。

限选材料:

ZnSO4(aq),FeSO4(aq),CuSO4(aq);铜片,铁片,锌片和导线。

1成原电池甲的装置示意图(见下图),并作相应标注。

要求:

在同一烧杯中,电极与溶液含相同的金属元素。

②铜片为电极之一,CuSO4(aq)为电解质溶液,只在一个烧杯中组装原电池乙,工作一段时间后,可观察到负极_________________。

③甲、乙两种原电池中可更有效地将化学能转化为电能的是________,其原因是_________________。

(2)根据牺牲阳极的阴极保护法原理,为减缓电解质溶液中铁片的腐蚀,在

(1)的材料中应选________作阳极。

【答案】 

(1)①如右图

②逐渐溶解

③甲 负极不和铜离子接触,避免了铜离子直接与负极发生反应而使化学能转化为热能

(2)锌片

【解析】 

(1)①因为电子的流向

是从左到右,所以我们可以这样设计原

电池:

左侧烧杯内盛放ZnSO4溶液,电极用锌片(或左侧烧杯内盛放FeSO4溶液,电极用铁片),右侧烧杯内盛放CuSO4溶液,电

极用铜片,即可实现Zn+CuSO4===ZnSO4+Cu(或Fe+CuSO4===Cu+FeSO4);②由所给的电极材料可知,当铜片作电极时,铜片一定是正极,则负极是活泼的金属(失电子,发生氧化反应),反应现象是电极逐渐溶解,表面有红色固体析出;③以锌片和铜片作电极为例,如果不用盐桥,则除了发生原电池反应外还发生锌和铜离子的直接的置换反应,会使部分化学能以热能的形式转化掉,而盐桥的使用可以避免锌和铜离子的直接接触,从而避免了化学能转化为热能,提高电池效率。

(2)根据牺牲阳极的阴极保护法,可知被保护的金属作阴极,即铁片作阴极,锌片作阳极。

注意易错点

应用原电池原理可以将任何自发进行的氧化还原反应设计成原电池,但

有的电池相当微弱,同时要注意电解质溶液不一定参与反应,如燃料电池,水中一般要加入强碱或强酸,以增强溶液的导电性。

三:

电解原理及有关计算

1.电解池工作原理示意图

2.电解原理分析

(1)通电前,电解质溶液中电离(包括电解质和水的电离)的离子作无规则运动。

(2)通电时

①离子移动方向:

阴离子移向阳极,阳离子移向阴极。

②放电能力

③电极反应

3.电极产物的判断

(1)阳极:

首先依据电极材料,若为活泼电极,则电极本身失电子被氧化,若为惰性电极(C、Pt、Au),再依据阴离子放电顺序考虑。

(2)阴极:

依据阳离子放电顺序考虑。

4.电解离子方程式的书写

(1)必须在短线上标明电解。

(2)只是电解质被分解,电解化学方程式中只写电解质及分解产物。

如电解CuCl2溶液:

Cu2++2Cl

Cu+Cl2↑

(3)只有水被分解,只写水电解即可。

如电解稀硫酸、NaOH溶液、Na2SO4溶液:

2H2O

2H2↑+O2↑

(4)电解质、水同时被分解,则都要写出,凡是水电离的H+或OH-放电时,在写电解的离子方程式必须写水(弱电解质)。

如电解饱和食盐水:

2Cl-+2H2O

2OH-+Cl2↑+H2↑

典例分析

例4.下图所示的电解池Ⅰ和Ⅱ中,a、b、c和d均为Pt电极。

电解过程中,电极b和d上没有气体逸出,但质量均增大,且增重b>d。

符合上述实验结果的盐溶液是(  )

选项

X

Y

A

MgSO4

CuSO4

B

AgNO3

Pb(NO3)2

C

FeSO4

Al2(SO4)3

D

CuSO4

AgNO3

【答案】B.【解析】 题意表明b、d没有气体逸出,所以析出金属,由质量关系知,B正确。

例5.用石墨作电极电解CuSO4溶液。

通电一段时间后,欲使电解液恢复到起始状态,应向溶液中加入适量的(  )

A.CuSO4   B.H2OC.CuOD.CuSO4·5H2O

答案:

C;解析:

电解CuSO4溶液分别从溶液析出铜单质,放出氧气,根据减少什么

原子加什么原子,所以

应加入CuO。

例6.人工肾脏可采用间接电化学方法除去代谢产物中的尿素,原理如图。

(1)电源的负极为________(填“A”或“B”)。

(2)阳极室中发生的反应依次为_____________

、________。

(3)电解结束后,阴极室溶液的pH与电解前相比将________;若两极共收集到气体13.44L(标准状况),则除去的尿素为________g(忽略气体的溶解)。

答案:

(1)B 

(2)2Cl--2e-==Cl2↑CO(NH2)2+3Cl2+H2O==N2+CO2+6HCl(3)不变 7.2

【解析】

(1)产生Cl2极为阳极知A为正极,B为负极。

(2)阳极室发生的反应依次为2Cl--2e-==Cl2↑。

由产物CO2、N2知CO(NH2)2在此室反应被氧化,CO(NH2)2―→CO2+N2,发生还原反应的为Cl2。

故方程式为CO(NH2)2+3Cl2+H2O==N2+CO2+6HCl

(3)阴极室2H++2e-==H2↑;阳极室产生的H+通过质子交换膜进入阴极室,从而使阴极室H+浓度保持不变。

pH与电解前相比不变。

两极共收集到的气体n(气体)=

=0.6mol,

■方法总结

以惰性电极电解电解质溶液的规律

类型

电极反应特点

实例

电解质溶浓度

pH

电解质液复原

电解水型[来源:

学,科,网]

阴:

4H++4e-==2H2↑

阳:

4OH--4e-==2H2O+O2↑

NaOH

增大

增大]

加水

H2SO4

增大

减小

加水

Na2SO4

增大

不变

加水

电解电解质型

电解质电离出的阴、阳离子分别在两极放电

HCl

减小

增大

通氯化氢

CuCl2

减小

加氯化铜

放H2生碱型

阴极:

H2O放H2生碱

阳极:

电解质阴离子放电

NaCl

生成新电解质

增大

通氯化氢

放O2生酸型

阴极:

电解质阳离子放电

阳极:

H2O放O2生酸

CuSO4

生成新电解质

减小

加氧化铜

注意

(1)若阴极为H+放电,则阴极区c(OH-)增大;若阳极为OH-放电,则阳极区c(H+)增大;若阴极、阳极同时有H+、OH-放电,相当于电解水,电解质溶液浓度增大。

(2)用惰性电极电解电解质溶液时,若要使电解后的溶液恢复到原状态,应遵循“缺什么加什么,缺多少加多少”的原则,一般加入阴极产物与阳极产物的化合物。

(3)电解过程中产生的H+或OH-,其物质的量等于转移电子的物质的量。

四:

电解原理的应用

1.氯碱工业:

(1)主要生产过程

(2)电极反应

阳极:

2Cl--2e-===Cl2↑阴极:

2H++2e-===H2↑

总反应:

2NaCl+2H2O

Cl2↑+H2↑+2NaOH

2.电镀(如铁件镀锌)电镀液:

含Zn2+的盐溶液(如ZnCl2溶液)

阳极(Zn):

Zn-2e-===Zn2+阴极(铁件):

Zn2++2e-===Zn

电镀过程中电镀液浓度不发生变化。

镀层金属作阳极,镀件作阴极,电镀液中必须含有镀层金属离子。

3.电解精炼

如粗铜(含Zn、Fe、Ag等)的提纯电解质溶液:

含Cu2+的盐溶液(如CuSO4溶液)

阳极(粗铜):

Zn-2e-===Zn2+Cu-2e-=Cu2+Fe-2e-===Fe2+

阴极(纯铜):

Cu2++2e-===Cu

电解过程中,活泼性比Cu弱的Ag等不放电,形成阳极泥(可从阳极泥中提纯Ag等);电解质溶液中c(Cu2+)会不断减小,应定期更换电解质溶液。

4.可充电电池

①放电时:

可先标出放电(原电池)总反应式电子转移的方向和数目,失去电子的一极为负极,该物质即为负极材料;得到电子的一极为正极,该物质即为正极材料。

②充电时:

方法同前,失去电子的一极为阳极,该物质即为阳极材料;得到电子的一极为阴极,该物质即为阴极材料。

可充电电池充电时与电源的连接:

可充电电池用完后充电时,原电池的负极与外电源的负极相连,原电池的正极与外电源的正极相连。

典例分析

例7.如图为电解精炼银的示意图,

________(填“a”或“b”)极为含有杂质的粗银,若b极有少量红棕色气体产生,则生成该气体的电极反应式为_____________________________。

【答案】a NO

+2H++e-===NO2↑+H2O【解析】电解精炼银时,用含杂质的粗银作阳极,用纯银作阴极,含Ag+的电解质溶液做电解液。

图中b极与电源的负极相连,则b极为阴极,NO

在阴极放电生成红棕色的NO2,电极反应式为NO

+2H++e-===NO2↑+H2O。

例8.镁电池毒性低、污染小,电压高而平稳,它逐渐成为人们研制绿色电池的关注焦点。

其中一种镁电池的反应原理为:

xMg+Mo3S4

MgxMo3S4,下列说法不正确的是(  )

A.放电时,Mo3S4发生氧化反

应B.放电时,正极反应式:

Mo3S4+2xe-==Mo3S

C.充电时,Mg2+向阴极迁移D.充电时,阴极反应式:

xMg2++2xe-==xMg

【答案】 A 解析:

由题意可知,放电时发生原电池反应,Mg由0价变为+2价,被氧化,发生氧化反应,作原电池的负极;Mo3S4为正极,正极反应式为:

Mo3S4+2xe-===Mo3S

,A错,B正确;电池充电时发生电解反应,阴极发生还原反应,金属阳离子Mg2+放电,反应式为:

xMg2++2xe-===xMg,电解质溶液中,阳离子Mg2+向阴极移动,C、D正确。

三、方法总结:

1.分析电解原理五步骤

第一步,看电极材料。

若阳极为铁、锌、铜、银等活性电极,金属发生氧化反应;

第二步,将电解质溶液中的离子

分组,并按放电顺序确定反应的先后顺序;

第三步,写出电极反应式,注意介质是否参与电极反应;

第四步,分析电极材料、电解质溶液发生的变化;

第五步,联系问题找到答题的切入点。

2.电化学计算中多池串联规律和电解过程的分析方法

(1)多池串联规律

各电极上转移电子数相同,阴阳极交替相接。

转移的电子数=任一电极上析出物质的物质的量×每析出1mol该物质转移的电子数。

(2)电解过程的分析方法

电解某给定量的溶液时,往往涉及电解过程的分析,即不同阶段同一电极上放电的微粒不同。

电解混和溶液时,往往也会涉及电解过程的分析。

如电解含有相同物质的量的硫酸铜和氯化钠混合溶液:

第一阶段,阳极上氯离子放电生成氯气,阴极上铜离子放电生成铜单质;第二阶段,阳极上氢氧根离子放电生成氧气,阴极上铜离子放电生成铜单质;第三阶段,阳极上氢氧根离子放电生成氧气,阴极上氢离子放电生成氢气。

五:

金属的腐蚀与

防护

1、金属腐蚀规律

金属腐蚀既受到其组成的影响,又受到外界因素的影响。

通常金属腐蚀遵循以下规律。

(1)在同一电解质溶液中,金属腐蚀的快慢是:

电解池的阳极>原电池的负极>化学腐蚀

>原电池的正极>电解池的阴极。

(2)在不同溶液中:

金属在强电解质溶液中的腐蚀>金属在弱电解质溶液中的腐蚀>金属在非电解质溶液中的腐蚀。

(3)对同一种电解质溶液来说,电解质溶液浓度越大,腐蚀越快。

(4)由于金属表面一般不会遇到酸性较强的溶液,故吸氧腐蚀是金属腐蚀的主要形式,只有在金属活动性顺序表中排在氢以前的金属才可能发生析氢腐蚀,而位于氢之后的金属只能发生吸氧腐蚀。

2.金属的防护措施图示

例9.糕点包装中常用的脱氧剂组成为还原性铁粉、氯化钠、炭粉等,其脱氧原理与钢铁的吸氧腐蚀相同。

下列分析正确的是(  )

A.脱氧过程是吸热反应,可降低温度,延长糕点保质期

B.脱氧过程中铁作原电池正极,电极反应为:

Fe-3e-===Fe3+

C.脱氧过程中碳作原电池负极,电极反应为:

2H2O+O2+4e-==4OH-

D.含有1.12g铁粉的脱氧剂,理论上最多能吸收氧气336mL(标准状况)

答案:

C;解析:

 根据题意铁作为电池负极(Fe-2e-===Fe2+)碳作原电池正极(2H2O+O2+4e-===4OH-)因此B、错误,脱氧过程是放热反应,A项错误,D项生成的Fe2+继续被O2氧化D。

补充:

不同“介质”下燃料电池电极反应式的书写,大多数学生感到较难。

主要集中在:

一是得失电子数目的判断,二是电极产物的判断。

下面以CH3OH、O2燃料电池为例,分析电极反应式的书写。

(1)酸性介质,如H2SO4。

CH3OH在负极上失去电子生成CO2气体,O2在正极上得到电子,在H+作用下生成H2O。

电极反应式为

负极:

CH3OH-6e-+H2O===CO2↑+6H+正极:

O2+6e-+6H+===3H2O

(2)碱性介质,如KOH溶液。

CH3OH在负极上失去电子,在碱性条件下生成CO

,1molCH3OH失去6mole-,O2在正极上得到电子生成OH-,电极反应式为

负极:

CH3OH-6e-+8OH-===CO

+6H2O正极:

O2+6e-+3H2O===6OH-

(3)熔融盐介质,如K2CO3。

在电池工作时,CO

移向负极。

CH3OH在负极上失去电子,在CO

的作用下生成CO2气体,O2在正极上得到电子,在CO2的作用下生成CO

,其电极反应式为

负极:

CH3OH-6e-+3CO

===4CO2↑+2H2O正极:

O2+6e-+3CO2===3CO

(4)掺杂Y2O3的ZrO3固体作电解质,在高温下能传导正极生成的O2-。

根据O2-移向负极,在负极上CH3OH失电子生成CO2气体,而O2在正极上得电子生成O2-,电极反应式为

负极:

CH3OH-6e-+3O2-===CO2↑+2H2O正极:

O2+6e-===3O2-

对点训练

1.①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。

①②相连时,外电路电流从②流向①;①③相连时,③为正极;②④相连时,②上有气泡逸出;③④相连时,③的质量减少。

据此判断这四种金属活动性由大到小的顺序是(  )

A.①③②④  B.①③④②C.③④②①D.③①②④

2.下列与金属腐蚀有关的说法正确的是(  )

a     b    c     d

A.图a中,插入海水中的铁棒,越靠近底端腐蚀越严重

B.图b中,开关由M改置于N时,CuZn合金的腐蚀速率减小

C.图c中,接通开关时Zn腐蚀速率增大,Zn上放出气体的速率也增大

D.图d中,ZnMnO2干电池自放电腐蚀主要是由MnO2的氧化作用引起的

3.某充电宝锂离子电池的总反应为:

xLi+Li1-xMn2O4

LiMn2O4,某手机镍氢电池总反应为:

NiOOH+MH

M+Ni(OH)2(M为储氢金属或合金),有关上述两种电池的说法不正确的是(  )

A.锂离子电池放电时Li+向正极迁移

B.镍氢电池放电时,正极的电极反应式:

NiOOH+H2O+e-===Ni(OH)2+OH-

C.上图表示用锂离子电池给镍氢电池充电

D.锂离子电池充电时,阴极的电极反应式:

LiMn2O4-xe-===Li1-xMn2O4+xLi+

4.Mg-H2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器。

该电池以海水为电解质溶液,示意图如下。

该电池工作时,下

列说法正确的是(  )

A.Mg电极是该电池的正极B.H2O2在石墨电极上发生氧化反应

C.石墨电极附近溶液的pH增大D.溶液中Cl-向正极移动

5.控制适合的条件将反应2Fe3++2I-

2Fe2++I2设计成如下图所示的原电池。

下列不正确的是(  )

A.反应开始时,乙中石墨电极上发生氧化反应

B.反应开始时,甲中石墨电极上Fe3+被还原

C.电流计读数为零时,反应达到化学平衡状态

D.电流计读数为零后,在甲中溶入FeCl2固体,乙中的石墨电极为负极

【答案】D

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