第四章电化学基础.docx
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第四章电化学基础
第一节 原电池
1.原电池形成的条件
(1)两个活泼性不同的电极。
(2)电解质溶液。
(3)形成闭合回路(或两极直接接触)。
(4)能自发地发生氧化还原反应。
2.原电池工作原理(以锌铜原电池为例)
装置示意图
现象
锌片逐渐溶解,铜片上有红色物质生成,电流表指针发生偏转
电极
Zn电极(活动性强的做负极)
Cu电极
电极名称
负极
正极
反应类型
氧化反应
还原反应
得失电子
失电子
得电子
电子流向
负极流出,经导线,流入正极
电流方向
由正极到负极(与电子流向相反)
电极反应式
Zn-2e-===Zn2+
Cu2++2e-===Cu
总反应式
Zn+Cu2+===Zn2++Cu
盐桥:
含有KCl饱和溶液的琼脂。
作用是使两个半电池形成通路,并保持两溶液的电中性。
盐桥中的Cl-移向ZnSO4溶液(负极区),K+移向CuSO4溶液(正极区)。
例1:
关于如图所示的原电池,下列说法正确的是( )
A.电子从锌电极通过电流表流向铜电极
B.盐桥中的阴离子向CuSO4溶液中迁移
C.锌电极发生还原反应,铜电极发生氧化反应
D.铜电极上发生的电极反应是2H++e-===H2↑
即时练习:
1.对于原电池的电极名称,叙述错误的是( )
A.发生氧化反应的一极为负极
B.正极为电子流入的一极
C.比较不活泼的金属为负极
D.电流流出的一极为正极
2.下列装置中,电流表指针能发生偏转的是( )
3.下列反应不可用于设计原电池的是( )
A.NaOH+HCl===NaCl+H2O
B.2CH3OH+3O2―→2CO2+4H2O
C.Zn+2HCl===ZnCl2+H2↑
D.4Al+3O2+6H2O===4Al(OH)3
4.在如图所示的水果电池中,外电路上的电流从X电极流向Y电极。
若X为铁,则Y可能是( )
A.锌B.石墨
C.银D.铜
5.以Mg片和Al片为电极并用导线连接,同时插入NaOH溶液中,下列说法正确的是( )
A.Mg片作负极,电极反应:
Mg-2e-===Mg2+
B.Al片作负极,电极反应:
Al+4OH--3e-===AlO
+2H2O
C.电子从Mg电极沿导线流向Al电极
D.Al片上有气泡产生
3.原电池原理的应用
应用1.加快化学反应速率
构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快。
如实验室制H2时,粗锌比纯锌与稀H2SO4反应快,或向溶液中滴入几滴CuSO4溶液,反应加快。
应用2.比较金属的活动性强弱
对于酸性电解质,一般是作负极的金属为较活泼的金属,作正极的金属是相对较不活泼的金属。
应用3.设计原电池
以2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2为例
设计思路
实例
以自发进行的氧化还原反应为基础
2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2
把氧化还为例原反应分解为氧化反应和还原反应两个半反应,从而确定电极反应
氧化反应(负极):
Cu-2e-===Cu2+;
还原反应(正极):
2Fe3++2e-===2Fe2+
以两极反应为原理,确定电极材料及电解质溶液
负极材料:
Cu
正极材料:
石墨或铂
电解质溶液:
FeCl3(aq)
画出示意图
例2:
依据氧化还原反应:
2Ag+(aq)+Cu(s)===Cu2+(aq)+2Ag(s)设计的原电池,如图所示。
请回答下列问题:
(1)电极X的材料是____________;电解质溶液Y是________。
(2)银电极为电池的________极,发生的电极反应为__________________________
电极上发生的电极反应为_______________________________________。
(3)外电路中的电子是从________极流向______极。
即时练习:
1、100mL浓度为2mol/L的盐酸跟过量的锌片反应,为加快反应速率,又不影响生成H2的总量,可采用的方法是( )
A.加入适量6mol/L的盐酸B.加入几滴CuCl2溶液
C.加入适量蒸馏水D.加入适量的NaCl溶液
2、向等质量的两份锌粉a、b中分别加入过量的稀硫酸,同时向a中加少量的CuSO4溶液,产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系如图所示,正确的是( )
选项
M
N
P
A
Zn
Cu
稀硫酸
B
Cu
Fe
稀盐酸
C
Ag
Zn
硝酸银溶液
D
Zn
Fe
硝酸铁溶液
3、如图所示装置中,观察到电流计指针偏转,M棒变粗,N棒变细,由此判断下表中所列M、N、P物质,其中可以成立的是( )
4.把a、b、c、d四块金属片浸入稀硫酸中,用导线相连组成原电池。
若a、b相连时,a为负极。
c、d相连时,电流由d到c。
a、c相连时,c极上产生大量气泡。
b、d相连时,b极上有大量气泡产生,则四种金属的活动性顺序由强到弱的为( )
A.a>b>c>dB.a>c>d>b
C.c>a>b>dD.b>d>c>a
5.为了避免锌片与Cu2+直接接触发生反应而影响原电池的放电效率,有人设计了如图所示装置,按要求完成以下填空:
(1)此装置工作时,可以观察到的现象是____________________
电池总反应式为_______________________________________。
(2)以上电池中,锌和锌盐溶液组成________,铜和铜盐溶液组成________,中间通过盐桥连接起来。
(3)电池工作时,硫酸锌溶液中SO
向________移动,硫酸铜溶液中SO
向________移动。
(4)此盐桥内为饱和KCl溶液,盐桥是通过________移动来导电的。
在工作时,K+移向________。
第二节化学电源
1.化学电源的分类及特点
(1)化学电池化学电池是将化学能变成电能的装置。
(2)化学电池的分类
化学电池
(3)化学电池的优点
①化学电池的能量转换效率较高,供能稳定可靠;
②可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池及电池组;
③使用方便,易于维护,并可在各种环境下工作。
例3:
对化学电源的叙述正确的是( )
A.化学电源比火力发电对化学能的利用率高
B.化学电源所提供的电能居于人类社会现阶段总耗电量的首位
C.化学电源均是安全、无污染的
D.化学电源即为可充电电池
2.一次电池
项目
碱性锌锰电池
纽扣式电池(锌银电池)
装置
总反应
Zn+2H2O+2MnO2===Zn(OH)2+2MnO(OH)
Zn+Ag2O===ZnO+2Ag
负极反应
Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2
Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O
正极反应
2H2O+2e+2MnO2===2OH-+2MnO(OH)
Ag2O+H2O+2e-===2OH-+2Ag
特点
碱性干电池的容量和放电时间均比普通干电池有所增加,保存时间也得以延长,性能更好。
比能量大、电压稳定、使用寿命长、储存时间长
锂电池:
锂是密度最小的金属,用锂作电池的负极,跟用相同质量的其他金属作负极相比较,能在较小的体积和质量下放出较多的电能,放电时电压十分稳定,贮存时间长,能在216.3~344.1K温度范围内工作。
锂电池作为新一代绿色电池是一种高能电池,它具有质量轻、电压高、工作效率高和贮存寿命长的优点,因而已用于电脑、照相机、手表、心脏起搏器上,以及作为火箭、导弹等的动力来源。
例4:
碱性电池具有容量大、放电电流大的特点,因而得到广泛应用。
锌锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液,电池总反应式为:
Zn(s)+2MnO2(s)+H2O(l)===Zn(OH)2(s)+Mn2O3(s),下列说法错误的是( )
A.电池工作时,锌失去电子
B.电池正极的电极反应式为:
2MnO2(s)+H2O(l)+2e-===Mn2O3(s)+2OH-(aq)
C.电池工作时,电子由正极通过外电路流向负极
D.外电路中每通过0.2mol电子,锌的质量理论上减小6.5
3.二次电池(充电电池)
A.铅蓄电池:
负极为Pb,正极是PbO2,电解质为H2SO4。
①放电过程电极反应式为:
负极:
Pb-2e-+SO
===PbSO4(氧化反应);
正极:
PbO2+4H++SO
+2e-===PbSO4+2H2O(还原反应)
总反应式为:
Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O
②充电过程电极反应式为:
阴极:
PbSO4+2e-===Pb+SO
阳极:
PbSO4+2H2O-2e-===PbO2+4H++SO
总反应式为:
2PbSO4+2H2O===Pb+PbO2+2H2SO4
即:
2PbSO4+2H2O
PbO2+Pb+2H2SO4
③铅蓄电池的优点:
电压稳定、使用安全、方便、价格低;其缺点:
比能量低、笨重、废弃电池污染环境。
例4:
铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2,电解质溶液为H2SO4,工作时反应为:
Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O。
下列结论正确的是( )
A.Pb为正极被氧化
B.负极反应式为PbO2+4H++SO
+2e-===PbSO4+2H2O
C.电解质溶液密度不断减小
D.溶液的酸性不断减弱
即时练习:
1.银锌电池广泛用作各种电子仪器的电源,它的电池反应是:
Zn+Ag2O+H2O===2Ag+Zn(OH)2,则负极上发生反应的物质是( )
A.Ag B.Zn(OH)2
C.Ag2OD.Zn
2.如图所示,杠杆AB两端分别挂有体积相同、质量相等的空心铜球和空心铁球,调节杠杆并使其在水中保持平衡,然后小心地向水槽中央滴入浓硫酸铜溶液,一段时间后,下列有关杠杆的偏向判断正确的是(实验过程中,不考虑铁丝反应及两球的浮力变化)( )
A.杠杆为导体和绝缘体时,均为A端高B端低
B.杠杆为导体和绝缘体时,均为A端低B端高
C.当杠杆为绝缘体时,A端低,B端高;为导体时,A端高,B端低
D.当杠杆为绝缘体时,A端高,B端低;为导体时,A端低,B端高
3.锂电池是新型高能电池,它以质量轻、能量高而受到了普遍重视,目前已研制成功多种锂电池。
某种锂电池的总反应为:
Li+MnO2===LiMnO2,下列说法正确的是( )
A.锂是正极,电极反应为:
Li-e-===Li+
B.锂是负极,电极反应为:
Li-e-===Li+
C.锂是负极,电极反应为:
MnO2+e-===MnO
D.锂是负极,电极反应为:
Li-2e-===Li2+
4.镍镉可充电电池的电极材料是Cd和NiO(OH),电解质是氢氧化钾,放电时电极反应式为:
Cd+2OH--2e-===Cd(OH)2;2H2O+2NiO(OH)+2e-===2Ni(OH)2+2OH-。
请按要求完成下列问题:
(1)当电池放电时,写出该电池的总反应式:
__________。
此时,电池的负极周围溶液的pH会不断________(填“增大”或“减小”)。
(2)电池充电时,________元素被还原,此电极反应式可表示为________________;________被氧化,此电极反应式可表示为:
_____________________________________。
(3)电池放电时,当有3.6g水参加反应,电池中所转移的电子数目为________,同时有________gCd参加反应。
4.燃料电池
(1)燃料电池简介
①燃料电池的电极本身不包含活性物质,只是一个催化转化元件,燃料和氧化剂可以持续地向两个电极通入,这样就在电极上连续不断地将化学能直接转化为电能。
②燃料电池的特点是能量利用率高,连续不断供电,排放的废弃物少。
③燃料电池结构特点:
燃料为负极,可以为氢气、烃、甲醇、氨气、煤气等;助燃剂为正极,可以是氧气、空气等。
电极材料一般不参与化学反应,只起传导电子的作用。
电解质溶液可以为酸性、碱性、熔盐等。
(2)氢氧燃料电池(酸性)
正极材料:
Pt,通入O2
负极材料:
Pt,通入H2
电解质:
硫酸溶液
负极电极反应式:
2H2-4e-===4H+(氧化反应)
正极电极反应式:
O2+4H++4e-===2H2O(还原反应)
总反应:
2H2+O2===2H2O
例5:
一种甲醇、氧气和强碱溶液作电解质的新型手机电池,可连续使用一个月,其电池反应为:
2CH3OH+3O2+4OH-
2CO
+6H2O,则有关说法正确的是( )。
A.放电时,CH3OH参与反应的电极为正极
B.放电时,负极的电极反应为CH3OH+8OH--6e-===CO
+6H2O
C.标准状况下,通入5.6LO2并完全反应后,有0.5mol电子转移
D.放电一段时间后,通入氧气的电极附近溶液的pH降低
即时练习:
1.下列有关电池的说法不正确的是( )。
A.手机上用的锂离子电池属于二次电池
B.铜锌原电池工作时,电子沿外电路从铜电极流向锌电极
C.甲醇燃料电池可把化学能转化为电能
D.锌锰干电池中,锌电极是负极
2.电池是人类生产和生活中的重要能量来源,各式各样电池的发明是化学对人类的一项重大贡献。
下列有关电池的叙述正确的是( )。
A.锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细
B.氢氧燃料电池可将热能直接转变为电能
C.氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化
D.太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅
3.氢氧燃料电池以氢气作为还原剂,氧气作为氧化剂,电极为多孔镍,电解质溶液为稀硫酸溶液。
以下叙述中:
①正极反应为:
O2+2H2O+4e-===4OH- ②负极反应为:
2H2-4e-===4H+ ③电池工作时正极区酸性减弱,负极区酸性升高 ④电池工作时溶液中的阴离子移向正极正确的组合是( )
A.①③④B.②③C.②④D.①④
4.乙醇燃料电池中采用磺酸类质子溶剂,在200℃左右时供电,电池总反应式为C2H5OH+3O2
2CO2+3H2O,电池示意图如图,下列说法中正确的是 ( )
A.电池工作时,质子向电池的负极迁移
B.电池工作时,电流由b极沿导线流向a极
C.a极上发生的电极反应是C2H5OH+3H2O+12e-
2CO2+12H+
D.b极上发生的电极反应是2H2O+O2+4e-
4OH-
5.(2016·全国卷Ⅲ)锌-空气燃料电池可用作电动车动力电源,电池的电解质溶液为KOH溶液,反应为2Zn+O2+4OH-+2H2O
2Zn(OH
。
下列说法正确的是 ( )
A.充电时,电解质溶液中K+向阳极移动
B.充电时,电解质溶液中c(OH-)逐渐减小
C.放电时,负极反应为Zn+4OH--2e-
Zn(OH
D.放电时,电路中通过2mol电子,消耗氧气22.4L(标准状况)
第三节电解池
1.电解池与原电池区别
原电池
电解池
原理区别
自发进行氧化还原反应
使电流通过电解质溶液而在阴阳两极引起氧化还原反应的过程。
本质区别
化学能变为电能
电能变成化学能
形成条件
两个活泼性不同的电极、电解质溶液、形成闭合回路、能自发地发生氧化还原反应。
外接电源、两个电极、电解质溶液、闭合回路
电极反应
正极:
还原反应(接受电子)
阴极:
氧化反应(提供电子)
正极:
氧化反应(与电源正极相连)
阴极:
还原反应(与电源负极相连)
电子流向
负极流出,经导线,流入正极
从电源的负极沿导线流入电解池的阴极,再从电解池的阳极流出,并沿导线流回电源的正极
2.电解池的应用
(1)惰性电极材料电解
类型
电解质
特点
实例
电极反应式
电解方程式
电解
质溶
液浓
度的
变化
溶液
pH
变化
电解
质溶
液复
原的
方法
阴极
阳极
电解水型
含氧酸
H2SO4
4H++4e-===2H2↑
4OH--4e-===2H2O+O2↑
2H2O
2H2↑+O2↑
增大
减小
加水
可溶性强碱
NaOH
增大
活泼金属含氧酸盐
KNO3
不变
电解电解质型
无氧酸
HCl
2H++2e-===H2↑
2Cl--2e-
===Cl2↑
2HCl
H2↑+Cl2↑
减小
增大
加氯
化氢
不活泼金属无氧酸盐
CuCl2
Cu2++2e-===Cu
2Cl--2e-===Cl2↑
CuCl2
Cu+Cl2↑
—
加氯
化铜
放氢气生碱型
活泼金属无氧酸盐
NaCl
2H++2e-===H2↑
2Cl--2e-
===Cl2↑
2NaCl+2H2O
2NaOH+
H2↑+Cl2↑
—
增大
加氯
化氢
放氧气生酸型
不活泼金属含氧酸盐
CuSO4
2Cu2++4e-===2Cu
4OH--4e-
===2H2O+O2↑
2CuSO4+2H2O
2Cu+
2H2SO4+O2↑
—
减小
加CuO
或CuCO3
(2)电镀铜与精炼铜的比较
(3)电冶金(电解熔融化合物制的活泼金属)
电镀铜
精炼铜
图示
能量转变
电能转化为化学能
电能转化为化学能
阳极材料
纯铜
粗铜(含锌、银、金等杂质)
阴极材料
镀件
纯铜
阳极反应
Cu-2e-===Cu2+
Zn-2e-===Zn2+
Cu-2e-===Cu2+等
阴极反应
Cu2++2e-===Cu
Cu2++2e-===Cu
电解质溶液及其变化
硫酸铜溶液保持不变
反应后硫酸铜溶液中混有Zn2+等,Cu2+浓度减小
例6:
在铁制品上镀一层一定厚度的锌层,以下方案设计正确的是( )
A.锌作阳极,镀件作阴极,溶液中含有锌离子
B.铂作阴极,镀件作阳极,溶液中含有锌离子
C.铁作阳极,镀件作阴极,溶液中含有亚铁离子
D.锌作阴极,镀件作阳极,溶液中含有亚铁离子
例7:
关于镀铜和电解精炼铜,下列说法中正确的是( )
A.都用粗铜作阳极、纯铜作阴极B.电解液的成分都保持不变
C.阳极反应都只有Cu-2e-===Cu2+ D.阴极反应都只有Cu2++2e-===Cu
即时练习:
1.用惰性电极电解饱和Na2CO3溶液,若保持温度不变,则一段时间后( )
A.溶液的pH变大
B.c(Na+)与c(CO
)的比值变大
C.溶液浓度变大,有晶体析出
D.溶液浓度不变,有晶体析出
2.用铂电极电解下列溶液时,阴极和阳极的主要产物分别为H2和O2的是( )
A.稀NaOH溶液 B.HCl溶液
C.CuCl2溶液D.酸性AgNO3溶液
3.电解CuCl2和NaCl的混合溶液,阴极和阳极上首先析出的物质分别是
( )
A.Cu和Cl2 B.H2和Cl2
C.H2和O2D.Cu和O2
4.(2011·全国卷Ⅰ)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.CuSO4B.H2O
C.CuOD.CuSO4·5H2O
5.用惰性电极电解下列溶液,电解一段时间后,阴极质量增加,电解液的pH下降的是( )
A.CuSO4B.AgNO3
C.BaCl2D.H2SO4
第四节 金属的电化学腐蚀与保护
1.金属的电化学腐蚀
(1)金属腐蚀:
金属与周围的气体或液体物质发生氧化还原反应而引起损耗的现象。
(2)化学腐蚀:
直接发生化学反应而引起的腐蚀。
(3)金属的电化学腐蚀:
不纯的金属与电解质溶液接触时,会发生原电池反应,比较活泼的金属失去电子而被氧化。
2.金属的电化学防护
(1)牺牲阳极阴极保护法
在被保护的钢铁设备上装上比铁活泼的镁合金或锌块,它们作为原电池的负极(或阳极)钢铁设备作为正极(或阴极)被保护下来。
(2)外加电流的阴极保护法
将被保护的钢铁设备作为阴极,用惰性电极作辅助阳极,在外加直流电源的作用下使阴极得到保护。
3.金属被保护的效果
金属作电解池的阴极(外加电流的阴极保护法)>金属作原电池的正极(牺牲阳极的阴极保护法)>一般防护措施>无保护措施
例8:
如图所示的各容器中盛有海水,铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是( )
A.④>②>①>③ B.②>①>③>④
C.④>②>③>① D.③>②>④>①
即时练习:
1.下列有关金属的保护方法的说法中正确的是( )
A.常使用的快餐杯表面有一层搪瓷,搪瓷层破损后仍能起到防止铁生锈的作用
B.白铁(镀锌铁)镀层破损后,铁皮的腐蚀速率很慢
C.轮船的船壳水线以下常装有一些锌块,这是利用了牺牲阴极的阳极保护法
D.钢铁制造的暖气管道外常涂有一些沥青,这是钢铁的电化学保护法
2.下列关于金属腐蚀的说法正确的是( )
A.金属在潮湿的空气中腐蚀的实质是:
M+nH2O===M(OH)n+
H2↑
B.金属的化学腐蚀的实质是:
M-ne-===Mn+,电子直接转移给还原剂
C.金属的化学腐蚀必须在酸性条件下进行
D.在潮湿的中性环境中金属的电化学腐蚀主要是吸氧腐蚀
3.缠有金属丝的铁钉插在含有酚酞的NaCl溶液中,如图所示,可以看到在贴近金属丝一边的溶液中出现粉红色。
则该金属丝可能是( )
A.镁 B.铝 C.锌 D.铜
4.下列有关钢铁腐蚀与防护的说法正确的是( )
A.钢管与电源正极连接,钢管可被保护
B.铁遇冷浓硝酸表面钝化,可保护内部不被腐蚀
C.钢管与铜管露天堆放在一起时,钢管不易被腐蚀
D.钢铁发生析氢腐蚀时,负极反应是Fe-3e-===Fe3+
5.钢铁生锈过程发生如下反应:
①2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2;②4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3;③2Fe(OH)3===Fe2O3+3H2O。
下列说法正确的是( )
A.反应①、②中电子转移数目相等
B.反应①中氧化剂是氧气和水
C.与铜质水龙头连接处的钢质水管不易发生腐蚀
D.钢铁在潮湿的空气中不能发生电化学腐蚀
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