电化学基础知识整理

1电化学基础知识整理1.原电池原电池是将化学能转化为电能的装置1.1原电池原理①、原电池：将化学能转变成电能的装置②、形成条件：①活动性不同的两电极（连接）；②电解质溶液（插入其中并与电极自发反应）；③电极形成闭合电路④能自发的发生氧化还原反应③、电极名称：负极：较活泼的金属（电子流出的一极）正极：较不活泼的金属或能导电的非金属（电子流入的一极）④、电极反应：负极：氧化反应，金属失电子正极：还原反应，溶液中的阴离子得电子或氧气得电子（吸氧腐蚀）⑤、电子流向：由负极沿导线流向正极锌-铜电池，负极-Zn，正极-Cu。负极：Zn-2e=Zn2+，电解质溶液——稀硫酸。正极：2H++2e=H2↑总反应：2H++Zn=H2↑+Zn2+注意：如果在铜锌的导线中加一个电流计，电流计指针会发生偏转。随时间的延续，电流计指针的偏转角度逐渐减小。盐桥的作用：盐桥起到了使整个装置构成通路的作用例如:铜锌原电池中用到了盐桥现象:⑴、检流计指针偏转，说明有电流通过。从检流计指针偏转的方向可以知道电流的方向是Cu极→Zn极。根据电流是从正极流向负极，因此，Zn极为负极，Cu极为正极。而电子流动的方向却相反，从Zn极→Cu极。电子流出的一极为负极，发生氧化反应；电子流入的一极为正极，发生还原反应。一般说来，由两种金属所构成的原电池中，较活泼的金属是负极，较不活泼的金属是正极。其原理正是置换反应，负极金属逐渐溶解为离子进入溶液。反应一段时间后，称重表明，Zn棒减轻，Cu棒增重。⑵、取出盐桥，检流计指针归零，重新放入盐桥，指针又发生偏转，说明盐桥起到了使整个装置构成通路的作用。盐桥是装有饱和KCl琼脂溶胶的U形管，溶液不致流出来，但离子则可以在其中自由移动。2盐桥是怎样构成原电池中的电池通路呢？Zn棒失去电子成为Zn2+进入溶液中，使ZnSO4溶液中Zn2+过多，带正电荷。Cu2+获得电子沉积为Cu，溶液中Cu2+过少，SO42-过多，溶液带负电荷。当溶液不能保持电中性，将阻止放电作用的继续进行。盐桥的存在，其中Cl-向ZnSO4溶液迁移，K+向CuSO4溶液迁移，分别中和过剩的电荷，使溶在两个烧杯中分别放入锌片和锌盐溶液、铜片和铜盐溶液，将两个烧杯中的溶液用一个装满电解质溶液的盐桥(如充满KCl饱和溶液和琼脂制成的胶冻)连接起来，再用导线将锌片和铜片联接，并在导线中串联一个电流表，就可以观察到下面的现象：(1)电流表指针发生偏转，根据指针偏转方向，可以判断出锌片为负极、铜片为正极.(2)铜片上有铜析出，锌片则被溶解.(3)取出盐桥，指针回到零点，说明盐桥起了沟通电路的作用.2.化学电源化学电源又称电池，是一种能将化学能直接转变成电能的装置，它通过化学反应，消耗某种化学物质，输出电能。它包括一次电池、二次电池和燃料电池等几大类。判断一种电池的优劣或是否符合某种需要，主要看这种电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少（比能量，单位是（W·h）/kg,（W·h）/L）,或者输出功率的大小（比功率，W/kg,W/L）以及电池的可储存时间的长短。除特殊情况外，质量轻、体积小而输出点能多、功率大、可储存时间长的电池，更适合使用者的需要。（一）一次电池一次电池的活性物质（发生氧化还原反应的物质）消耗到一定程度，就不能使用了。一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫干电池。常用的有普通的锌锰干电池、碱性锌锰电池、锌汞电池、镁锰干电池等。例如；碱性锌锰干电池负极：Zn＋2OH——2e—＝Zn（OH）2正极：2MnO2＋2H2O＋2e—＝2MnOOH＋2OH—总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O＝2MnOOH＋Zn（OH）2补充：银一锌电池电子手表、液晶显示的计算器或一个小型的助听器等所需电流是微安或毫安级的，它们所用的电池体积很小，有“纽扣”电池之称。它们的电极材料是Ag2O和Zn，所以叫银一锌电池。电极反应和电池反应是：负极：Zn＋2OH－—2e—＝Zn(OH)2正极：Ag2O＋H2O＋2e—＝2Ag＋2OH－总反应：Zn＋Ag2O＋H2O＝Zn(OH)2＋2Ag利用上述化学反应也可以制作大电流的电池，它具有质量轻、体积小等优点。这类电池已用于宇航、火箭、潜艇等方面。3锂－二氧化锰非水电解质电池以锂为负极的非水电解质电池有几十种，其中性能最好、最有发展前途的是锂一二氧化锰非水电解质电池，这种电池以片状金属及为负极，电解活性MnO2作正极，高氯酸及溶于碳酸丙烯酯和二甲氧基乙烷的混合有机溶剂作为电解质溶液，以聚丙烯为隔膜，电极反应为：负极反应：Li＝Li＋＋e正极反应：MnO2＋Li＋＋e＝LiMnO2总反应：Li＋MnO2＝LiMnO2该种电池的电动势为2.69V，重量轻、体积小、电压高、比能量大，充电1000次后仍能维持其能力的90％，贮存性能好，已广泛用于电子计算机、手机、无线电设备等。（二）二次电池二次电池又称充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生。这类电池可以多次重复使用。铅蓄电池是最常见的二次电池，它由两组栅状极板交替排列而成，正极板上覆盖有PbO2，负极板上覆盖有Pb，电介质是H2SO4.铅蓄电池放电的电极反应如下：负极：Pb（s）＋SO42－（aq）－2e－＝PbSO4（s）（氧化反应）正极：PbO2（s）＋SO42－（aq）十4H＋（aq）＋2e－＝PbSO4（s）＋2H2O(l)（还原反应）总反应：Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）＝2PbSO4（s）十2H2O(l)铅蓄电池充电的反应是上述反应的逆过程：阴极：PbSO4（s）＋2e－＝Pb（s）＋SO42－（aq）（还原反应）阳极：PbSO4（s）＋2H2O(l)－2e－＝PbO2（s）＋SO42－（aq）十4H＋（aq）（氧化反应）总反应：2PbSO4（s）十2H2O(l)＝Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）可以把上述反应写成一个可逆反应方程式：Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）2PbSO4（s）十2H2O(l)（三）燃料电池燃料电池是一种连续的将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。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。它工作时，燃料和氧化剂连续的由外部供给，在电极上不断的进行反应，生成物不断地被排除，于是电池就连续不断的提供电能。⑴氢氧燃料电池以氢气为燃料，氧气为氧化剂，铂做电极，使用酸性电解质。它的的工作原理：负极：2H2－4e－＝4H＋正极：O2十4H＋（aq）＋4e－＝2H2O4总反应：2H2十O2＝2H2O⑵以碱性氢氧燃料电池为例，它的燃料极常用多孔性金属镍，用它来吸附氢气。空气极常用多孔性金属银，用它吸附空气。电解质则由浸有KOH溶液的多孔性塑料制成，其电极反应为：负极反应：2H2＋4OH－＝4H2O＋4e－正极反应：O2＋2H2O＋4e－＝4OH－总反应：2H2＋O2＝2H2O除氢气以外，烃、肼、甲醇、氨等液体或气体，均可作燃料电池的燃料；除纯氧外，空气中的氧气也可以做氧化剂。(3)甲烷燃料电池（KOH做电解质）用金属铂片插入KOH溶液作电极，又在两极上分别通甲烷燃料和氧气氧化剂。电极反应式为：负极：CH4＋10OH－－8e＝CO32-＋7H2O；正极：4H2O＋2O2＋8e＝8OH。电池总反应式为：CH4＋2O2＋2KOH＝K2CO3＋3H2O知识拓展：海洋电池1991年，我国首创以铝－空气－海水为能源的新型电池，称之为海洋电池。它是一种无污染、长效、稳定可靠的电源。海洋电池彻底改变了以往海上航标灯两种供电方式：一是一次性电池，如锌锰电池、锌银电池、锌空（气）电池等。这些电池体积大，电能低，价格高。二是先充电后给电的二次性电源，如铅蓄电池，镍镉电池等。这种电池要定期充电，工作量大，费用高。海洋电池，是以铝合金为电池负极，金属（Pt、Fe）网为正极，用取之不尽的海水为电解质溶液，它靠海水中的溶解氧与铝反应产生电能的。我们知道，海水中只含有0.5%的溶解氧，为获得这部分氧，科学家把正极制成仿鱼鳃的网状结构，以增大表面积，吸收海水中的微量溶解氧。这些氧在海水电解液作用下与铝反应，源源不断地产生电能。两极反应为：负极：（Al）：4Al－12e－＝4Al3＋正极：（Pt或Fe等）：3O2＋6H2O十12e－＝12OH－总反应式：4Al＋3O2十6H2O＝4Al(OH)3↓海洋电池本身不含电解质溶液和正极活性物质，不放入海洋时，铝电极就不会在空气中被氧化，可以长期储存。用时，把电池放入海水中，便可供电，其能量比干电池高20～50倍。电池设计使用周期可长达一年以上，避免经常交换电池的麻烦。即使更换，也只是换一块铝板，铝板的大小，可根据实际需要而定。海洋电池没有怕压部件，在海洋下任何深度都可以正常了作。海洋电池，以海水为电解质溶液，不存在污染，是海洋用电设施的能源新秀。53.电解池（一）电解原理⑴．电解质溶液的导电我们知道，金属导电时，是金属内部的自由电子发生的定向移动，而电解质溶液的导电与金属导电不同。通电前电解质溶液中阴、阳离子在溶液中自由地移动；通电后在电场的作用下，这些自由移动的离子改作定向移动，带负电荷的阴离子由于静电作用向阳极移动，带正电荷的阳离子则向阴极移动。电极名称：电解池中与直流电源负极相连的电极叫阴极，与直流电源正极相连的电极叫阳极。物质能否导电是由其内部能否形成定向移动的自由电荷所决定的，对金属就是自由电子，而对电解质溶液就是自由移动的阴阳离子。⑵．电解①概念：使电流流过电解质溶液而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程叫电解。②电子流动的方向：电子从外接直流电源的负极流出，经导线到达电解池的阴极，电解池溶液中的阳离子移向阴极，并在阴极获得电子而被还原，发生还原反应；与此同时，电解池溶液中的阴离子移向阳极，并在阳极上失去电子（也可能是阳极很活泼而本身失去电子）而被氧化，发生氧化反应。这样，电子又从电解池的阳极流出，沿导线而流回外接直流电源的正极。③电极反应的类型：阳极反应为氧化反应，阴极反应为还原反应，故而阴极处于被保护的状态，而阳极则有可能被腐蚀。⑶．电解池与原电池的联系与区别原电池电解池电极正极、负极阴极、阳极电极确定由电极材料本身的相对活泼性决定，较活泼的是负极，较不活泼的是正极由外接直流电源的正、负极决定，与负极相连的是阴极，与正极相连的是阳极电极反应负极发生氧化反应正极发生还原反应阴极发生还原反应阳极发生氧化反应电子流向电子由负极经导线流入正极电子从电源负极流入阴极再由阳极流回电源正极能量转变化学能转变为电解电能转变为化学能反应自发性能自发进行的氧化还原反应反应一般不能够自发进行，需电解条件举例Zn+CuSO4=Cu+ZnSO4CuCl2Cu+Cl2↑装置特点无外接直流电源有外接直流电源相似之处均能发生氧化还原反应，且同一装置中两个电极在反应过程中转移电子总数相等。6重点出击：原电池与电解池的判断⑴判断下图是原电池、电解池还是电镀池，为什么？（2）延伸有人设计以Pt和Zn为电极材料，埋入人体内作为某种心脏病人的心脏起搏的能源。它依靠人体内含有一定浓度的溶解氧进行工作，下列各种叙述中错误的是（）A:Pt是正极B:负极反应：C:正极反应：D正极反应：小结与反思：原电池、电解池、电镀池判定规律：若无外接电源，可能是原电池，然后依据原电池的形成条件分析判定；若有外接电源，两极插入电解质溶液中，则可能是电解池或电镀池。当阳极金属与电解质溶液中的金属阳离子相同则为电镀池，其余情况为电解池。4．实验分析：电解CuCl2溶液（1）电极材料阴极可用惰性电极，甚至较活泼的金属，但阳极需使用惰性电极，否则会发生氧化反应而溶解。（2）惰性电极一般指金、铂、石墨电极，银、铜等均是活性电极。（3）实验现象：通电后，电流表指针发生偏转，阴极石墨棒上析出一层红色固体，阳极表面有气泡放出，可闻到刺激性气味。（4）淀粉碘化钾试纸的作用：检验阳极产物是否为Cl2。使用时应先润湿并缠于玻棒端或用镊子夹持，作用时间不宜太久，否则变蓝后会被Cl2漂白。（二）、电解的应用I．电解饱和食盐水反应原理1．实验分析